RADIOKÉMIA László Krisztina, F ép. I. lh., I. emelet, 135
[email protected]
Nagy Lajos György és LK: Radiokémia és izotóptechnika Műegyetemi Kiadó 1997
Antoine Henri Becquerel (1852 - 1908)
Maria Skłodowska-Curie (1867 – 1934)
Az atommag felépítése
m
n p+e-+0,8 MeV
E, MeV
p 1,6726×10–24g 938,27 n 1,6749×10–24g 939,55 e– 9,109×10–28g 0,51
Stabilis nuklidok
jelölések A N Z Z
X
neutronok szerepe
A magok kötési energiája M
E mc 2
A nuklidok csoportosítása Izotóp: Z azonos Izobár: A azonos Izotón: N azonos
Izotópeffektus ¡ Radioaktív izotóp ! alkalmazások spektroszkópia (pl. rezgési, MS) oldószer (NMR, neutronszórás) dúsítás CSIA: compound specific isotope analysis elhanyagolás? nyomjelzés „rendhagyó” szerves szintézis
Radioaktivitás A mag energiafeleslege spontán magátalakulással szűnik meg, miközben a mag tulajdonságai időben változnak és energia szabadul fel. Megmaradási elvek
Spontán magátalakulások
Izomer átalakulás Am ZX
E h
ZA X
Izomer átalakulással bomló izotópok
nuklid
T1/2
E , MeV
60mCo
10,5 min 6,0 h
0,059 0,143
99mTc
- bomlások
–-bomlás
A A X Y Z Z 1 exoterm n p –
+-bomlás
A A X Y Z Z –1
p n
elektronbefogás
endoterm
e – ZAX Z –A1Y *
e– p n
endoterm
közös tulajdonságok: A=állandó Z=1 vagy
Tiszta --sugárzó izotópok nuklid
energia, MeV
3H
0,018
12,26 a
14C
0,159 1,71 0,167 0,54 2,25
5730 a 14,3 d 88 d 28,1 a 64 h
32P 35S 90Sr 90Y
T1/2
Kevert (+) sugárzó izotópok nuklid
T1/2
-energia, MeV
-energia, MeV
60Co
5,27 a
0,31
1,17/1,33
131I
8,07 d
0,61
0,36
137Cs
30,23 a
0,51
0,662
Pozitron bomló izotópok
nuklid
T1/2
11C
20,3 min 9,97 min 124 s 109,7 min
13N 15O 18F
E+ MeV 0,97 1,2 1,7 0,064
EX izotópok A e – ZA X Z –1 Y * A Z –1Y
A * Z –1 Y X kar
nuklid
T1/2
54Mn
303 d 60 d
125I
E MeV 0,84 0,035
15
-bomlás részecske
A A–4 4 2+ X Y He Z 2 Z –2
4-9 MeV
nuklid 235U 226Ra 222Rn
T1/2 7,1E8 a 1600 a 3,8 d
spontán maghasadás 44,5*106 vs. 25 bomlás / óra /g urán
spontán neutronbomlás
- - bomlás alternatívája
Gamma-sugárzás az atommagból kilépő elektromágneses sugárzás vonalas spektrumú izomer átalakulás/kísérő sugárzás
-sugárzások az atommagból kilépő elektron vagy pozitron sugárzás folytonos spektrumú lehet önálló (de !) kísérő sugárzásai lehetnek: gamma, karakterisztikus röntgen (X) Alfa-sugárzás az atommagból kilépő 24He2+ sugárzás vonalas spektrumú kísérheti gamma-sugárzás
A radioaktív bomlások kinetikája
Egylépéses egyszerű magátalakulás
dN A N dt – t – t N N0e A A0e T1 2
ln2
1 A idő
1 bomlás 1 becquerel = 1 Bq másodperc 1 Ci = 3,7×1010 Bq
I=kA ágarány tényező
Kormeghatározás
Libby 1946, 1960
Jégbefagyott mamut-tetemet találtak Szibériában. Testében a 14C mennyisége 21 %-a volt csak a ma élő állatokhoz képest. (Ma élő állatokban Milyen régi a tetem? A radioszén felezési ideje 5730 év.
C 12). 10 12 C
14
Bomlási sorok
X
X T1/2, X
Y
Y T1/2,Y
Zstabilis
A AX AY AX AX ,0e
– X t
Y exp X t exp Y t , AY Y NY AX ,0 Y X Y AY AX 1 exp Y X t . Y X
X és Y viszonya ?
22
Teoretikus példa
T1 2,A T1 2,B
T1/2,A = 8·107h T1/2,B=0,8h Szekuláris egyensúly
Valós pl. 1 90
–
Sr 28a
90
–
Y 90 Zr 64h
Valós pl. 2
– további hosszú felezési idejű leányelemek
214 Po 84
214 Bi 83
AEROSZOLOK
légáramlás
ülepedés
–
214 Pb 82
218 Po 84
222 Rn 86
ESŐCSEPPEK
csapadék
rések, ahol a radon egy része kijut a talajból a légkörbe
FÖLDFELSZíN 238 U 92
234 Th 90 234
Pa
234 U 92
230 Th 90
226 Ra 88
222 Rn 86
radonnak a talajban maradó 222 Rn 86 része
226 222 Ra Rn ... 82Pb 86 88 1620a 3,83d
A sugárzás kölcsönhatása az anyaggal
25
Lineáris energiaátadás (LET) levegő
dE / dx 1/ v
2
Az elnyelődés mértéke mitől függ? Radioaktívak lesz-e egy anyag, ha nukleáris sugárzás éri? Előállíthatók-e mesterségesen radioaktív magok? 26
Részecskék (m, töltés)
a
p
I.
b
e+ e-
II.
III.
n
X
Partner 1. Molekulák 2. Elektromos erőtér 3. Elektron 4. Atommag erőtere 5. Atommag
ionizáló sugárzás magreakció
Mechanizmus A) Elnyelődés (abszorpció)
sugárzás: anyag:
I, E Ekin, E*
B) Koherens szórás (csak irányváltozás)
sugárzás: anyag:
I -
C) Inkoherens szórás (energiacsere is) rugalmas (nincs gerjesztés) rugalmatlan
sugárzás: anyag:
I, E Ekin Ekin, E*
27
1. Ionizáló sugárzások
28
Az ionizációs kölcsönhatások első lépése az anyag oldaláról 1. Semleges gerjesztés A + sugárzás
A* + sugárzás’
2. Külső ionizáció A + sugárzás A+ + A2 + sugárzás A2 + sugárzás A2 + sugárzás
e- + sugárzás’ A+ + A- +sugárzás’ A2 + + e- + sugárzás’ 2 A + sugárzás’
3. Belső ionizáció A + sugárzás A*+ + e- + sugárzás’ A*+ A+ + Xk A*+ A2+ + e-Auger
4. Fékezési röntgensugárzás A + sugárzás A + Xf + sugárzás ’ DETEKTÁLHATÓSÁG ALAPJA
29
A kölcsönhatások száma
nxA dn (E)nA dx
n n0e I I0e
(E)A x
' x
lineáris gyengülési együttható 30
-sugárzás Elektronnal inkoherens szórás ionizáció és gerjesztés (50-50 %) energia- és irányváltozás Maggal magátalakítás, Rutherford-féle szórás
Intenzitás
! folytonos röntgensugárzás !
RA
lev A
MA Rlev Mlev
31
-sugárzás Elektronnal inkoherens szórás ionizáció (külső és belső) és gerjesztés energia- és irányváltozás
dE dx EZ r 800 dE dx ion
A mag erőterével inkoherens szórás ! folytonos röntgensugárzás !
I I0e
,x
I0e
d
’/= x·=d 32 tömeggyengülési együttható
-sugárzás 1. Compton-szórás EC
E
E’
Nagy energia: kisebb eltérülési szög preferált
33
Az egyenletekben szereplő a foton eltérülésének szöge (az ábrán jelöli).
C=s+a
a
E 0,51
2. Fotoeffektus
n(E)=4 - 5
35
3. Párképzés
36
I I 0e
d
I 0e
( C f p ) d
Ge
Compton-szórás
Fotoeffektus Párképzés 37
38
2. Magreakciók
Végbemeneteli valószínűség
10B 12C
+ +d
14N*
10B + 13C +p 13N +n
Átmeneti mag
1.
(n,) (n,f) 233U, 235U, 239Pu, 241Pu 10B(n,) 6Li(n,)
2.
(,n) (n,2n) (n,) (p, ) (d, ) alagúteffektus
A magreakciók időtörvénye
dN * aN N * dt * 1 exp t N * N
A ' N
AA
A 1 exp t exp th
1 exp t *
A N aN
A neutronok kölcsönhatásai az anyaggal - rugalmas ütközés Könnyű elemek neutronlassítása (E0 = 2 MeV, E = kT) Elem 1H 2D 4He
Be C Al
E
, keV
1000 888 640 360 284 137
- rugalmatlan ütközés
gerjesztett mag, h - neutronbefogás (abszorpció): (n,?)
1 0,72 0,43 0,21 0,16 0,07
n 18 24 41 50 111 240
A neutronok osztályozása 1. Lassú neutronok a) hideg neutronok b) termikus neutronok c) rezonancia neutronok 2. Közepes energiájú neutronok 3. Gyors neutronok 4. Nagy energiájú neutronok 5. Szupergyors neutronok
0,025 eV 0,44 eV 1 keV 0,5 MeV 10 MeV 50 MeV
E E E E E E E
0,025 eV 0,44 eV 1000 eV 500 keV 10 MeV 50 MeV
n,
113Cd(n,)114Cd
n, 10B n, 7Li n, f
=6,31·10-24 m2 25
3 10
2
m
maghasadás Izotóp
Kiindulási anyag
235U 233U 239Pu 241Pu 238U 232Th
természetes urán tórium, neutronbesugárzás 238U, neutronbesugárzás 238U, neutronbesugárzás természetes urán természetes tórium
Hatásos neutron termikus termikus termikus termikus gyors gyors
A maghasadás (n,f)
235
236 U
U n 3n 90Kr+143Ba +200 MeV 50 út, 35 elem 300 izotópja
90
–
Kr 33 s
90
–
Rb 2,7 min
90
–
Sr 28a
90
–
Y 90 Zr 64h
A 200 MeV megoszlása a a a a a
hasadványok kinetikus energiája: neutronok kinetikus energiája: -sugárzás energiája: szekunder radioaktív bomlás energiája: neutronok befogásakor felszabaduló energia:
160 MeV 5 MeV 5 MeV 20 MeV 10 MeV
önfenntartó láncreakció: szabályozás
Építsünk reaktort!
1. üzemanyag 238U:
99,2% 235U: 0,71%.
Hatásos neutron
Izotóp
Kiindulási anyag
235U 233U 239Pu 241Pu 238U 232Th
természetes urán tórium, neutronbesugárzás 238U, neutronbesugárzás 238U, neutronbesugárzás természetes urán természetes tórium
2. neutronok lassítása: moderátor Különböző moderátoranyagok lassítási jósága a, m-1 H2O D2O C Be
2200·10-3 3·10-3 36·10-3 111·10-3
s, m-1
Lassítási jóság
370 48 39 85
67 48 170 160
termikus termikus termikus termikus gyors gyors
3. szabályozás 113 Cd n, 114 Cd
természetes Cd 10
6,31 1024 m2 8 1025 m2 3 1025 m2
B n, 7 Li
4. neutrongazdálkodás A neutronok lehetséges sorsa: 1. Hasítás: 2. Befogás hasítás nélkül: - a fűtőanyagban (pl. 235U és 238U magokban), - a moderátorban, - szerkezeti anyagokban, - a hasadási termékekben* - a szabályozó rudakban (pl. kadmium) 3. Kidiffundálás a környezetbe.
*135Xe(n,)136Xe
( 2,7 10
22
m2 )
149Sm(n,)150Sm
( 6,6 10
24
m2 )
157Gd(n,)158Gd
( 4,6 10
23
m 2 ) reaktorméreg
5. energiaelvitel: hűtőközeg
nagy hőkapacitás nagy tisztaság finomszabályozás
Nukleáris méréstechnika
Nukleáris sugárzások detektálása
Az ionizációs kölcsönhatások első lépése az anyag oldaláról
1. Semleges gerjesztés A + sugárzás A* + sugárzás’ 2. Külső ionizáció A + sugárzás A+ + e- + sugárzás’ A2 + sugárzás A+ + A- +sugárzás’ A2 + sugárzás A2 + + e- + sugárzás’ A2 + sugárzás 2 A + sugárzás’ 3. Belső ionizáció A + sugárzás A*+ + e- + sugárzás’ A*+ A+ + Xk
4. Fékezési röntgensugárzás A + sugárzás A + Xf + sugárzás ’ DETEKTÁLHATÓSÁG ALAPJA
Detektálási lehetőségek/igények: igen/nem sugárzás fajtája sugárzás energiája integráló azonnali későbbi kiolvasás pillanatnyi érték (ratemeter)
GM cső
gázionizáció
Holtidő!
Szcintillációs detektor
Leggyakoribb szcintillátor anyagok
A detektálandó sugárzástól függ Pl. NaI(Tl)
gamma
Műanyag szcintillátor béta ZnS
alfa
A folyadékszcintillációs méréstechnika kis energiájú radioaktív izotópok mérésére (3H, 14C) a szcintillátor és a mérendő anyag közös oldatban mechanizmus + koincidencia
Félvezető detektor Félvezetők tulajdonságai Si
Ge
CdTe
14
32
48 - 52
A tiltott sáv szélessége, eV
1,12
0,74
1,47
Ionizációs energia, eV
3,61
2,98
4,43
Rendszám, Z
Ge(Li)
HPGe, Si(Li)
57
A
DETEKTOROK ÖSSZEHASONLÍTÁSA
TULAJDONSÁG
GM CSŐ
SZCINTILLÁCIÓS
FÉLVEZETŐ
Alkalmazási terület
Főleg részecskesugárzás
bmilyen
bmilyen
Detektálási hatásfok
Részecskékre (,,n) közel 100 %, elmágn. Sugárzásra 1-2%
Ált. jó
Ált. jó, esetenként erős T-függés
Holtidő
< 1 ms
<1 s
<0.1 s
Ár
Alacsony
Drága kiegészítő egységek
Drága (+üzemeltetés)
Egyéb
Hosszú élettartam
Magas száml. seb.
A driftelt detektorokat használaton kívül is hűteni kell 58
Kötelező olvasmány: Tankönyv (1997) Radiokémia és izotóptechnika, 328-331, 334-338
A nukleáris háttérsugárzás
60
TERMÉSZETES 1.) kozmikus háttér töltött részecskék (p, ) + levegő
másodlagos részecskék
sugárzás
14 14
N n, 3 3 H
N n,
14
12
C
3
H
N n, p 14 C 22
Na
7
Be 61
Egyenértékdózis, H ~ A, J/kg, Sv 62
2.) Földkéreg A geológiai fejlődés során hosszú T1/2-ű nuklidok bányászható mértékben felszaporodtak ill. szétoszlanak a talajban és az építőanyagokban.
63
Természetes eredetű hosszú felezési idejű izotópok
Ősi/földi izotópok 40
K 238 U 235 U 234 U 226 Ra 222 Rn 232 Th 230 Th 228 Th
1.3x109 év 4.5x109 év 7.0x108 év 2.4x105 év 1600 év 3,8 nap 1.4x1010 év 7.5x104 év 1.9 év
Kozmogén izotópok
Radioaktív családok 232Th, 237Np, 238U, 235U (Tankönyv 78. oldal)
3
12 év 5730 év
H 14 C
– további hosszú felezési idejű leányelemek
214 Po 84
214 Bi 83
AEROSZOLOK
légáramlás
ülepedés
–
214 Pb 82
218 Po 84
222 Rn 86
ESŐCSEPPEK
csapadék
rések, ahol a radon egy része kijut a talajból a légkörbe
FÖLDFELSZíN 238 U 92
234 Th 90 234
Pa
234 U 92
230 Th 90
226 Ra 88
222 Rn 86
radonnak a talajban maradó 222 Rn 86 része
64
65
MESTERSÉGES Hosszú felezési idejű izotópok az üzemanyagciklusban Transzurán izotópok 239
Pu 240 Pu 241 Pu 238 Pu 237 Np 241 Am 244 Cm 242 Cm
2.44x104 év 6600 év 14 év 86.4 év 2.2x106 év 432 év 7.9 év 163 nap
Hasadási termékek
Nukleáris üzemanyag 238
U 235 U 234 U 232 Th 230 Th 228 Th
9
4.5.10 év 7.0x108 év 2.4x105 év 1.4x1010 év 7.5x104 év 1.9 év
137
Cs 131 I 99 Tc 90 Sr 89 Sr 129 I
30 years 8 nap 2.13x105 years 28 years 50 days 1.57x107 years
Aktiválási termékek
60
Co Ni 63 Ni 3 H 14 C 59
5 év 7.5x104 év 100 év 12 év 5000 5730év év
E.C. 66
M A szervezet belső terhelése:
T
1 1 1 Teff Tfiz Tbiol
67
