1 MAGKÉMIA ÉS SUGÁRKÉMIA MAGKÉMIA: ATOMMAG SZEKEZETE MAGSTABILITÁS ÉS SZERKEZET ATOMMAG ÁTALAKULÁSA-TERMÉSZETES RADIOAKTIVITÁS ATOMMAG ÁTALAKÍTÁSA-MESTERSÉGES RADIOAKTIVITÁS SUGÁRKÉMIA: RADIOAKTÍV ANYAGOK TANULMÁNYOZÁSA KÉMIAI MÓDSZEREKKEL RADIOAKTÍV SUGÁRZÁSOK KÉMIAI HATÁSAI

2 I. RADIOAKTÍV ÁTALAKULÁSOK FAJTÁI I. 1. AZ ATOMMAG ALFA-RÉSZECSKÉT BOCSÁT KI: I. 2. AZ ATOMMAG BÉTA-RÉSZECSKÉKET BOCSÁT KI: NEGATÍV BÉTA MAGKÉMIA POZITÍV: POZITRON

3 I. 3. AZ ATOMMAG EGY KÜLSŐ ELEKTRONT FOG BE: 1s elektron (K-héj) befogás….helyére magasabb energiaszintről elektron ugrik…két héj energiakülönbsége kisugárzódik. I. 4. A GERJESZTETT ATOMMAG ALAPÁLLAPOTBA TÉR VISSZA: Metastabil gerjesztett állapotból belső átmenet.

4 II. A SUGÁRZÁSOK TERMÉSZETE II. 1.ALFA-RÉSZECSKÉK: Energiájuk több 1 millió kJ/mol, kis áthatolás (cm-k levegőben) Sebességük 1 9 cm/s Nagy ionizáló hatás (kb iont hoz létre) II. 2.BÉTA-RÉSZECSKÉK (+ neutrinók) : Energiájuk millió kJ/mol, közepes áthatolás (m-k levegőben) Kis ionizáló hatás III. 3.GAMMA-SUGARAK: Nagyenergiájú fotonok, nagy áthatolás (cm-k ólom lemezben) Fénysebességgel haladnak Gyenge ionizáló hatás

5 névTömeg (ate) töltés (e) sugárzás fajtája alfa4,0026+2He-atommagok béta1/1837Elektronok gamma00Elektromágneses sugárzás II. 4. RADIOAKTÍV SUGÁRZÁSOK TULAJDONSÁGAI

6 Elektromágneses sugárzások hullámhossza nő Elektromágneses sugárzások energiája csökken

7 NUKLEONOK: atom magot felépítő részecskék NEUTRON (n) PROTON (p) IZOTÓP IZOBÁR IZOTON NUKLIDOK: nukleáris részecskék rendszámmal (Z), tömegszámmal (A)

8 III. A RADIOAKTIV BOMLÁSOK FORMÁLKINETIKÁJA III. 1. ELSŐRENDŰ SEBESSÉGI TV.: III. 2. FELEZÉSI IDŐ: III. 3. AKTIVITÁS, FAJLAGOS AKTIVITÁS: λ bomlási együttható N radioaktív atomok száma A aktivitás egységnyi idő alatti bomlások száma

9 III. 4. NÉHÁNY NUKLID FELEZÉSI IDEJE FELEZÉSI IDŐSUGÁRZÁS NUKLID 4, évalfa 2, évalfa 5568 évbéta 19,9 évbéta 12,3 évbéta 12,5 napbéta 8,0 napbéta 40 órabéta 118 sbéta 1,4 sbéta

10 1. példa: Egy stroncium-9O izotópminta aktivitása O,5OO mcurie. a)Mekkora a minta fajlagos aktivitása? b)Mekkora lesz a minta aktivitása 3O év elteltével? Megjegyzés: Fajlagos aktivitás = aktivitás / radioaktív minta tömege. Az aktivitás SI-egysége 1 becquerel (Bq) [s -1 ]. (1 bomlás 1 s alatt). Nem SI-egység az 1 curie (Ci) = 3,7 1O 1O Bq (3,7 1O 1O bomlás 1 s alatt).

11 a) Mekkora a minta fajlagos aktivitása? Kidolgozás:

12 b) Mekkora lesz a minta aktivitása 3O év elteltével? A minta aktivitása 3O év után 6,55 1O 6 Bq

13 IV. RADIOAKTÍV BOMLÁSI SOROK: AL ANYAELEM (A) ….EREDETI NUKLID LEÁNYELEM (L)…BOMLÁSI TERMÉK (felezési idők viszonya) ELSŐ ESET: A < L A t max -nál leányelem aktivitása max. MÁSODIK ESET: A > L Leányelem-anyaelem aktivitás viszonya HARMADIK ESET: A >> L Leányelem atomok száma tranziens egyensúly szekuláris egyensúly

14 ELSŐ ESET: A < L

15 MÁSODIK ESET: A > L HARMADIK ESET: A >> L

16 V. A TERMÉSZETES RADIOAKTIVITÁS Azon elemek és lebomlási termékeik fordulnak elő a természetben, melyek t 1/2 -e a Föld korához viszonyítva hosszú. A természetes radioaktív elemek rendszáma általában nagyobb, mint kivétel : K, Rb, In, La, Nd, Sm, Lu, Re, Pt. Három bomlási sorozatot ismerünk: Tórium-sorozat (Th-232 a radioaktív nuklid) Urán-sorozat (U-238 a radioaktív nuklid) Aktínium-sorozat (U-235 a radioaktív nuklid)

17 α 60,5 perc β 3,1 perc Tórium-sorozat

18 Urán-sorozat: Aktínium-sorozat: Neptúnium-sorozat: (nincs? – csak mesterséges! )

19 VI. 1. STABIL ATOMMAGOK TULAJDONSÁGAI VI. MAGSTABILITÁS ÉS SZERKEZET A magon belüli kötőerők a neutron/proton arány A stabil nuklidoknál N > Z (általában) Magméret (empirikus): Páros neutronPáratlan neutron Páros proton2O969 Páratlan proton614

20 A protonok száma (Z) és a neutronok száma (N=A-X) a stabil nuklidokban

21 VI. 2. ATOMMAGOK HÉJSZERKEZETÉNEK BIZONYÍTÉKA…A MÁGIKUS SZÁMOK Nagy stabilitású nuklidok: a nukleáris periódusokat lezáró nuklidok. Mágikus számStabil nuklid 2He-4 8O-16 2OCa-4O 5OSn-nak 1O stabil izotópja

22 Feltételezett magenergia-szintek. A mágikus számok a nukleonok számának összegei az adott magenergia-szintekig.

23 VI. 3. NUKLEÁRIS KÖTÉSI ENERGIA Kötési energia= m nukleon - magtömeg 2 proton tömeg=2 (1,00728 ate)= 2,01456 ate 2 neutron tömeg=2 (1,00867 ate)=2,01734 ate összesen: 4,0319 ate A He-4 tényleges tömege: 4,0026 ate Tömeghiány: 0,0293 ate Tömeghiány energiaekvivalense: E = mc 2 1 He-magra0,0293 1, J =4, J 1 mol He-magra: 2, kJ

24 Az elemek 1 nukleonjára eső kötési energia változik a tömegszám függvényében:

25 Legstabilabb nuklidoknál az 1 nukleonra eső kötési energia a legnagyobb (pl. Fe, Co, Ni, a Föld magjának és a meteorok fő alkotói) Nehéz elemek magja energia felszabadulás mellett hasítható könnyebb magokká. Könnyű elemek magjai energia felszabadulás mellett egyesíthetők könnyebb magokká.

26 VI. 4. ATOMMAGOK ÁTALAKULÁSAI Rutherford kísérlet (1919): atomátalakítás Irene Joliot-Curie (1934): mesterséges rádioaktivitás Tömör felírás:

27 A magreakciók bizonyos szempontokból hasonlóak a közönséges kémiai reakciókhoz, mert vagy energia elnyelése (endoerg reakciók) vagy energia felszabadulása (exoerg reakció) során játszódik le, 2. itt is érvényes a töltés és a tömeg-energia megmaradása, 3. számos reakciónak meghatározott aktiválási energiája van.

28 A magreakciók különböznek a közönséges kémiai reakcióktól, mert a rendszám megváltozik, jól lehet a tömegszámok összege változatlan, az összes anyagmennyiség mérhetõen megváltozik. (Az energiaelnyeléssel járó reakcióknál a termnékek összes mennyisége nagyobb, mint a kiindulási anyagoké, az energia felszabadulással járó reakcióknál pedig ennek a fordítottja igaz), a mennyiségeket általában nem mólonként, hanem részecskékként definiáljuk és az egyes részecskékkel lejátszódó eseményeket veszik figyelembe, a reakciók az egyes nuklidok reakciói, nem pedig az illetõ elemet tartalmazó izotópkeverékeké.

29 Magreakciót kiváltó részecskék típusai: 1.Elektromosan töltött részecskék (pl. α-részecske) 2.Töltetlen részecskék (pl. neutron) és gamma-sugarak Bombázott nuklid Keletkezett nuklid Bombázó részecske Kilépő részecske

30 VI. 5. HATÁSKERESZTMETSZET (σ) Magreakció függ: A kiváltó (bombázó) részecskék típusától A bombázó részecske energiájától A σ egysége: barn ( cm 2 ) t idő alatt keletkező N k magok száma, és A k aktivitása N t célnuklidok száma f a bombázó részecskék fluxusa m -2 s -1

31 Nuklid Izotóp gyakoriság, % Hatáskereszt- metszet, barn Termék felezési idő 193,99·10 3 stabilis 1005,6· ,27 min 1002,3· ,3 nap 1001,34·10 1 2,6 óra 51,354,4·10 1 2,3 min 48,651,1· s 12,261,94·10 4 stabilis összes2,4·10 3 stabilis 95,81,45· min 1009,8·10 1 2,7 nap

32 Telítési aktivitás lép fel, ha a keletkezett nuklid felezési idejéhez hosszú a bombázási idő: Ugyanaz a nuklid ugyanazzal a típusú, de különböző energiájú részecskével bombázva más terméket eredményez:

33 V. 6. MAGHASADÁS Otto Hahn felfedezése (1938): Uránt neutronnal bombázva kisebb rendszámú elemek (Ba, La, Sr, Rb) keletkeznek, közben energia szabadul fel. nagy energiájú neutron hasítja kis energiájú neutron hasítja Atomreaktorokban az maghasadása lassú neutronokkal ütközve valósul meg. Lassítók a kis molekulatömegű, kis hatáskeresztmeszetű anyagok (grafit, paraffin, víz, bór..)

34 U-235 hasadási termékek eloszlása Minimum: 233,5/2 Egy maghasadásnál átlagosan 2,5 neutron szabadul fel.

35

36 A neutronok egy részét U-238 nyeli el. Pu-239 keletkezik, ami tovább hasadhat. A nukleáris oszlop megtermeli saját tüzelőanyaga egy részét (tenyésztő reaktor). A maghasadás közben energia szabadul fel, hasadásonként 3, J, azaz 1, kJ/mol.

37 VI. 7. MAGFÚZIÓ Deutérium magok egyesítése igen magas hőmérsékleten, miközben nehezebb nuklidok keletkeznek és hatalmas mennyiségű energia szabadul fel. A csillagokban hidrogénatommagok alakulnak hélium- atommagokká. Több ciklusban képzelik el a csillagban lejátszódó folyamatokat. A hidegebb csillagokban (pl. Nap) ún. protonciklus:

38 A nettó reakció: 4 proton átalakulása 1 alfa- részecskévé és 42, J energia szabadul fel. Ez az energia magában foglalja az annihilációs energiát is. 1 mol fúziós lépésben 2, kJ energia szabadul fel

39 SUGÁRHATÁS KÉMIA Radioaktív nuklidok kémiai célra felhasználása: Kémiai folyamatok követése Biológiai folyamatok követése Oldékonyság meghatározás Kémiai egyensúly követése Reakciók kinetikájának meghatározása.

40 Sugárzó izotóp sugárzásának mérése a sugárzás ionizáló hatásán alapul (Geiger-Müller számláló) Ar töltőgáz alkohol-gőz V

41 I. NYOMJELZŐ IZOTÓPOK Természetes eredetű radioaktív izotópok: A nyomjelzéshez használható radioaktív nuklidok előállítási lehetőségei: 1. Természetes radioaktív ércekbõl való elõállítás 2. Specifikus nuklidok termelése megfelelõ célnuklid bombázásával atomreaktorban vagy ciklotron segítségével, 3. Az urán hasadási termékeinek szétválasztása.

42 II. RADIOAKTIVITÁS ALKALMAZÁSA A KÉMIAI ANALÍZISBEN 1. Izotóp hígitásos analízis: Ismeretlen mennyiségű anyagot (pl. Zn 2+ -t) tartalmazó oldathoz ugyanilyen kémiai összetételű radioaktív anyag ismert mennyiségét adják. Ezután kicsapják a sót és mérik az aktivitást. 2. Aktiválásos analízis: Szennyező mennyiségének meghatározása besugárzást követően. Pl. Al-ban lévő Cu meghatározása a neutron besugárzást követően keletkező 12,8 órás felezési idejű Cu-64 gammasugárzásának mérésével.

43 III. IZOTÓPOS KORMEGHATÁROZÁS 2. Radiokarbon kormeghatározás: légkörben folyamatosan keletkezik a C-14 a kozmikus sugárzás miatt, és kb. 500 év alatt a földi szénciklus részévé válik, bekerül az élővilágba. A 14 C felvétel és bomlás miatt a természetes fajlagos aktivitás állandósul: 15,3 bomlás perc -1 g -1, Felezési idő: 5668 év 1. A természetes radioaktív nuklidok jelenléte egy ásványban, vagy más anyagban arra utal, hogy felezési idejük összemérhető az őket tartalmazó ásvány korával. Aktivitásuk mérése korbecslést tesz lehetővé.

44 2. példa: Egy történelem előtti bölény csontjának vizsgálata során megállapították, hogy benne a 14 C fajlagos aktivitása 2,8 bomlás perc -1 g -1. Hozzávetőlegesen mikor élt az állat?