Tartalom Elõzõ Kõvetkezõ

Radioaktív bomlástípusok

Ha más nem is, de a természetes radioaktiv bomlástípusok, illetve az ezen bomlások során keletkezett sugárzástipusok nevei közismertek: $\alpha ,\, \beta ,\, \gamma$ sugárzás. Már csupán ezen elnevezésekbõl is sokmindent ki tudunk olvasni. Elõször is a felfedezés idejében fönnálló ismerethiányra utal az a tény, hogy a névválasztás egyszerûen egy sorrendnek felel meg, hiszen ezek a görög ABC elsõ betûi, így akár lehettek volna 1, 2, 3 -as sugárzás is. Föltehetõ az is, hogy e sorrend egyúttal a kimutathatóság, detektálhatóság sorrendjét tükrözi, amely persze a környezettel való kölcsönhatás intenzitásából -ma már tudjuk, hogy a különbözõ ionizálóképességbõl- adódik. Az ismeretek bõvülése miatt a késõbb fölfedezett sugárzás és bomlástípusok már nevükön neveztetnek, pl neutronsugárzás, spontán bomlás, K befogás stb. így már nem várhatjuk egy $\delta$ nevû sugárzás megjelenését.

Az $\alpha$ bomlás.

Az $\alpha$ bomlás során az atommag egy két protonból, és két neutronból álló un. $\alpha$ részecskét bocsát ki magából. Ez persze nem más, a kétszeresen ionizált Hélium $^{4}_{2}He$ atom, azaz egy puczér Hélium atommag. Ennek megfelelõen az $\alpha$ bomlás során keletkezett leányelem rendszáma kettõvel tömegszáma néggyel kisebb az eredeti ( anya ) elemre jellemzõ értékeknél.

$$_{Z}^{A}X\, \, \Rightarrow \, \, ^{A-4}_{Z-2}Y+_{2}^{4}\alpha +energia$$

Az $\alpha$ részecske összetett volta ellenére, egyetlen zárt kompakt részecskeként viselkedik már az atommagon belül is. Ahogyan az atomok elektronburkában meghatározott számú elektron esetén igen stabil, lezárt héjak alakulnak ki -gondoljunk a nemesgázokra-, ugyanúgy az atommagban un. mágikus számú proton, illetve neutron esetén igen stabil, kiemelkedõ kötési energiájú konfigurációkat kapunk. Ezek egyik illusztris képviselõje az alfa részecske.

A bomlási energia nagy részét az alfa részecske viszi magával, s ez mint a részecske mozgási energiája lesz jellemzõ a kibocsátott részecskére. Kétszeres elemi töltése folytán, miközben áthalad a közegen, fõleg az útjába kerülõ atomok elektronjaival kerül kölcsönhatásba, azaz az útjába esõ atomokat ionizálja. Csak igen kis hányaduk kerül kölcsönhatásba az anyag atommagjaival. Ezek az eredeti nyaláb irányához viszonyítva nagy szög alatt szóródnak ki a nyalábból, -ez a Rutherford szórás jelensége- az $\alpha$ részecskék döntõ többsége azonban változtlan irányban folytatja a repülését. Az $\alpha$ részecske minden ionizációs esemény kapcsán az illetõ atomra / molekulára jellemzõ ionizációs potenciálnak megfelelõ energiát veszít, végül energiája nem fog különbözni a környezetében levõ atomok hõmozgására jellemzõ energiától. Ekkor már egy közönséges Héliumatomról beszélhetünk csupán. Az alfa részecske pályája mentén ott maradt egy ionizált csõ, amelyet a meghámozott atomok pozitív ionjai, és a lecibált elektronok alkotnak. Ezek össztöltése arányos az $\alpha$ részecske eredeti (mozgási) energiájával. Ezek kigyûjtésével, és az így kapott elektromos impulzus területének (begyüjtött össztöltés) analizálásával az alfa részecske eredeti energiája megadható.

Más eszközökben, nevezetesen ködkamrában ez az ionizált csatorna kondenzációs magvakat jelent a túltelített gõzök számára, ezek mentén köd csapódik ki, az alfa részecske pályája láthatóvá válik. Ennek hossza arányos a részecske eredeti energiájával. Ez levegõben jellemzõen néhány centiméter.

Kristályos, közegekben, szilárdtestekben az $\alpha$ részecskék nyomvonala mentén összeomlik a kristályszerkezet. Mindenféle savakkal, lúgokkal kezelve ezek a rácshibák kitágíthatók, mikroszkóppal e lyukak gyakorisága (felületegységre jutó darabszámuk), stb. vizsgálható. Az erre a célra kitenyésztett eszközöket szilárdtest nyomdetektoroknak nevezik.

Maga az $\alpha$ sugárzás nem különösebben veszélyes, már a bõrünk külsõ rétege elnyeli. Annál veszélyesebbek a tüdõbe lerakódó azon porszemek, amelyek $\alpha$ aktív izotópot kötöttek meg. Idõvel a nagy ionizálóképességû sugárzás jelentõsen megnöveli a tüdõrák esélyét.

Nagyobb méretû $\alpha$ sugárzó anyagnak csak a felületérõl tudnak az emittált részecskék kilépni, a mélyebb rétegekben keletkezett $\alpha$ részecskék, már magában a sugárzó közegben elnyelõdnek. A jelenséget önabszorbciónak nevezzük, s ez jelenség az un. $\beta$ sugárzás kapcsán is megjelenik.

Az igen nagy tömegszámú izotópok egy része hajlamos a S pontán Fisszióra (SF külsõ hatás nélkül bekövetkezõ hasadás), amely folyamat során az atommag magától, két kisebb tömegszámú izotópra esik szét. Az ekkor keletkezõ nagyenergiájú töredékmagok viselkedése sokban hasonlít az alfa részecskék viselkedésére (nagy töltés és nagy tömeg jellemzi õket). Az alfa részecskékre, valamint ezen töredékmagokra is a nagy ionizációképesség, a rövid hatótávolság, azaz a kis áthatolóképesség jellemzõ.

A $\beta$ sugárzás

Eredetileg az atommagból kilépõ elektronsugárzás viselte a $\beta$ sugárzás nevet. Mára már a $\beta$ bomlás gyüjtõfogalom lett, azaz több bomlás és az azt kisérõ sugárzás tartozik ebbe a csoportba.

A természetben megfigyelhetõ összes sugárzás közül ez okozta a legtöbb meglepetést és fejtörést. Elõször is az atommagban nincsenek elektronok, ezt egyszerû igazolni. (a határoztlansági relációból adódóan, a mag méretére lokalizált elektron energiája túl nagy lenne). Az $\alpha ,\, s\, a\, \gamma$ sugárzás vonalas energiaspektrummal jellemezhetõ, azaz az adott izotóp adott bomlási folyamata mindig ugyanzon energiájú részecske emisszóját eredményezi. A kibocsátott $\beta$ részecskéket azonban folytonos energia spektrum jellemzi, az élesen meghatározott bomlási energia ellenére. Látszólag nem teljesül az energiamegmaradás elve. E rejtélyek feloldását a következõ magfizikai folyamatok adják.

Neutron többlettel rendelkezõ magok elektron emisszióval (kibocsátással) kerülhetnek közelebb a stabilitási görbéhez.

$$n\, \rightarrow \, p+e^{-}+\tilde{\nu }_{e}$$

Pozitron emisszió

$$p\, \rightarrow \, n+e^{+}+\nu _{e}$$

Elektronbefogás

$$p+e^{-}\, \rightarrow \, n+\nu _{e}$$

Az elsõ folyamat a klasszikus $\beta$ bomlás. Láthatjuk, hogy a magbeli neutron három részecskére esik szét, ezek egyike az elektron amely tehát a bomlás pillanatában keletkezik. Attól függõen, hogy e három bomlástermék milyen szög alatt távozik a tett színhelyérõl, más, más energiát cipel magával.

A fenti folyamatok mindegyikében elektron- neutrínók, illetve elektron- antineutrínók is keletkeztek. Ezek a részecskék -mivel alig lépnek kölcsönhatásba az anyaggal- nehezen detektálhatók. Ugyanezen neutrinók keletkeznek a csillagokban lezajlódó fúziós reakciók során is. Nevük egyébként arra utal hogy elektromosan semlegesek. Hogy nyugalmi tömegük nulla-e, vagy sem az a fizika jelenleg még eldöntetlen nagy kérdése
.

A $\gamma$ sugárzás

A $\gamma$ sugárzás során a gerjesztett állapotú atommag alacsonyabb energiájú állapotba kerül, s a különbségi energiát egy $\gamma$ foton viszi el, vagyis a $\gamma$ sugárzás egy igen rövidhullámú, illetve nagyfrekvenciájú változata az elektromágneses hullámoknak / sugárzásnak. A korábban említett sugárzástípusoktól eltérõen ez nem visz el magával töltést és egyéb alkatrészt, stb, csupán energiát, impulzust és perdületet. A $\gamma$ sugárzás során tehát nem változik meg sem a tömegszám, sem a rendszám. E sugárzástipus gyakran kisérõ sugárzása más, részecske emisszióval járó bomlásnak, amikoris a részecske emisszió során keletkezett leányelem gerjesztett állapotban marad vissza. E gerjesztett atommagok bocsátják ki késõbb a $\gamma$ fotonokat.

Az atommag éppen úgy kvantummechanikai rendszer mint az atomi elektronburok, a $\gamma$ sugárzás az elektronburok fotonemissziójának analogonja. Az elektronburok folyamataiból számos jelenség így egy az egyben az atommagra is átértelmezhetõ.

Az optikai spektroszkópia az atomok (elektronburka) által kibocsátott fény spektruma alapján képes azonosítani az emittáló közegben levõ kémiai elemeket. Vagyis a sugárzás jellemzõ a kibocsátó kémiai elemek atomjaira. A $\gamma$ sugárzás is vonalas spektrumú un. karakterisztikus sugárzás, azaz a sugárzás energiája jellemzõ a kibocsátó izotópra. Ugyanazon kémiai elem különbözö neutronszámú izotópjainak a atomburka, kémiája, optikai spektruma (közel) ugyanaz, de magfizikai szempontból, így a $\gamma$ sugárzás szempontjából is ugyanazon kémiai elem különbözõ neutronszámú atommagjai teljesen eltérnek egymástól. A $\gamma$ sugárzás energia spektruma alpján a kibocsátó izotópok azonosíthatók. Aktívációs analízis során a vizsgálandó mintadarab atommagjainak egy kis hányadát pl. neutronbesugárzással aktíválják - azaz neutronbefogással rádioaktiv izotóppá alakítják - s ez utóbbi izotópok $\gamma$ sugárzásának energia spektruma azonosítja a sugárzást kibocsátó izotópokat.

Az atomi elektronburok átrendezõdésébõl származó fotonok energiája 10 eV nagyságrend köré esik (bár a nagy rendszámú elemek belsõ elektronjainak kibombázásával létrehozott foton energiák KeV nagyságrendek fölé jutnak), az atommagból származó foton nagyságrendekkel nagyobb energiája már jelentõs következményekkel jár. A kibocsátott foton $h\nu /c$ impulzusa folytán -mint a puska elsütésekor visszalökött puska- az atommag is visszalökõdik. Ez azzal jár, hogy az energia egy része a visszalököttt mag mozgási energiájában jelentkezik, a kibocsátott foton a bomlási energiától kevesebb energiát visz magával. A $\gamma$ kibocsátó atommagot megfelelõ kristályszerkezetbe beépítve a visszalökött test már nem egyetlen atommag, hanem egy egész mikrokristály. Ilyen esetben közel a teljes bomlási energiát viszi magával a $\gamma$ foton. A foton abszorbciója során ugyanilyen impulzusváltozási jelenségek játszódnak le, azaz a fotonelnyelés során meglökött mag mozgási energiájával csökkentett foton enegia fordítódhat(na) az atommag gerjesztésére. A kristályrácsba való beépítés itt is megszüntetheti a $\gamma$ foton energiaváltozását. Amit kapunk, az az un. visszalökésmentes $\gamma$ rezonaciaabszorbció, s ezt Mösbauer effektusnak nevezzük. Ez már pontos megfelelõje az atomburokra érvényes, Bohr modellben is megfogalmazott frekveciafeltételnek, amely szerint $h\nu _{ij}\, =\, E_{i}-E_{j}$ . Vagyis csak olyan frekvenciájú fotont nyelhet el, illetve bocsáthat ki a kvantummechanikai rendszer amelynek energiája a szóbanforgó rendszer két energiaszintje különbségének felel meg.

A $\gamma$ foton, mint az elektromágneses sugárzás energiadagja zömmel a közeg elektromosan töltött részecskéivel lép kölcsönhatásba. Így aztán nem meglepõ, hogy a közeggel való kölcsönhatás sok elektront tartalmazó nagy rendszámú elemeknél sokkal markánsabb, mint a kis rendszámúaknál.

$$\, \Delta I=-\sigma \, I\, \Delta x\, \, \, \, \, \Rightarrow \, \, \, \, \, \, \frac{dI}{dx}=-\sigma \, I$$

Meg kell említenünk a $\gamma$ emissziónak egy elektronra konvertált változatát is, amelyet legegyszerûbben fotoeffektusnak foghatunk fel. Ennek során még az atomburkon belül elnyelt $\gamma$ foton energiája fedezi az atomburokhoz tartozó elektron kötési energiáját (azaz kilépési munkáját), s a többletenergia pedig a kilökött elektron mozgási enrgiájában jelenik meg.

Alfejezetek:

• • • Univerzális állandók

Tartalom Elõzõ Kõvetkezõ