Radioaktivitás

A radioaktivitás a nem stabil (úgynevezett radioaktív) atommagok bomlásának folyamata. Ez nagy energiájú ionizáló sugárzást kelt. Radioaktív sugárzás a természetben is előfordul. Mérésére részecskedetektorokat használnak.

Az elnevezés a latin radio (sugároz) és activus (cselekvő) szó összetételéből származik.

Radioaktív elemeknek nevezik azokat az elemeket, amelyeknek nincs stabil izotópjuk.

Felfedezése 

A radioaktivitást 1896-ban a foszforeszkáló anyagokkal kísérletező Henri Becquerel francia tudós fedezte fel, amiért 1903-ban megkapta a fizikai Nobel-díjat. Úgy gondolta, hogy a katódsugárcső fénye valamilyen módon összefügg a foszforeszcenciával. Különféle foszforeszkáló anyagokat burkolt fekete papírba egy fényképlemezzel együtt, és a fényképlemez feketedését vizsgálta. Nem észlelt feketedést amíg uránsókkal nem próbálkozott. Miután a nem foszforeszkáló uránsókkal próbálkozott, kiderült, hogy a jelenségnek semmi köze sincs a foszforeszcenciához. Kimutatta, hogy a sugárzás intenzitása arányos az urán koncentrációjával, így arra következtetett, hogy ez a sugárzás az uránatom tulajdonsága. Pierre és Marie Curie új, sugárzó elemek után kutatva fedezték fel, hogy a tórium is sugároz. Az uránércből kivontak még két erősebben sugárzó elemet, a polóniumot és a rádiumot. A Curie házaspár nehéz és fárasztó munkájának szemléltetéséül: nyolc tonna uránércből 0,1 gramm rádium nyerhető ki.
A Curie házaspár és Ernest Rutherford kísérletei a radioaktív sugárzásnak két összetevőjét mutatta ki: a nagyon rövid hatótávolságú (levegőben kevesebb, mint 1 cm) alfa-sugárzás, és a béta-sugárzás (néhányszor tíz cm levegőben). 1900-ban fedezte fel Paul Ulrich Villard a gamma-sugárzást, amit 10 cm ólom sem bír elnyelni. Később bebizonyították, hogy a gamma-sugárzás valójában nagyenergiájú elektromágneses sugárzás.

Radioaktív sugárzás (bomlás) 
Három fontosabb fajtája van. Egyre nagyobb áthatolóképességgel:
 Alfa-bomlás során az atommagból egy hélium atommag (erősen kötött 2 proton és 2 neutron) válik ki. Erősen ionizáló, viszont a hatótávolsága levegőben 1 cm alatti.
 Béta-bomlás során az atommagban neutronból lesz proton, elektron kibocsátása közben. Így a béta-sugárzás valójában elektronsugárzás. Közepesen ionizáló hatású, hatótávolsága levegőben pár tíz cm.
 Gamma-bomlás során energia távozik nagy energiájú fotonként. Az előbbiek kísérőjelensége szokott lenni. Hatótávolsága légüres térben gyakorlatilag végtelen, a nagy tömegszámú elemek (általában ólom) gyengítik hatékonyan.

Az alábbi táblázat rendszerezi a három fontosabb és több további bomlásfajtát nagyjából csökkenő előfordulási valószínűség szerint rendezve. A az atom tömegszámát (protonok és neutronok együttes száma), Z pedig a rendszámot (protonok száma) jelöli.

Aktivitás 
Egy adott radioaktív forrás aktivitása megmondja, hogy hány bomlás történik másodpercenként. Mértékegysége a Bq (Henri Becquerel tiszteletére), 1 Bq másodpercenként egy bomlásnak felel meg. Régebbi mértékegység a Ci (Curie), 1 Ci egy gramm rádium aktivitásának felel meg (3,7·1010 Bq). 
A radioaktív bomlás teljesen véletlen jelenség, egy adott atommagról nem lehet megállapítani, hogy mikor fog elbomlani, viszont az elbomlásának időbeni valószínűsége állandó. Egy forrásban a bomlások száma tehát arányos a radioaktív magok számával, amit a következőképp írhatunk föl:

Ezt integrálva kapjuk a bomlási törvényt:

Látható, hogy a radioaktív magok száma exponenciálisan csökken. A λ a bomlásállandó: megadja, hogy mekkora valószínűséggel bomlik el egy atommag egy másodperc alatt. 
Többet használják viszont a T1/2 felezési időt: ez megadja, hogy mennyi idő alatt bomlik el az összes radioaktív mag fele. A bomlásállandóból a következőképp lehet kifejezni:
 
Ha ismerjük egy izotóp felezési idejét, akkor egy adott forrás A aktivitása könnyen meghatározható:

Radioaktív atommagok 
 elsődleges természetes radionuklidok (1)
 olyan természetes radioaktív magok, amelyek megtalálhatóak a Naprendszer keletkezése óta
 felezési idejük nagyon hosszú
 26 ilyen mag ismert. Például: 238U ( T=4,47·109 év ), 40K ( T=1,28·109 év ), 87Rb ( T=4,8·1010 év )
 másodlagos természetes radionuklidok (2)
 Olyan magok, amelyek (1) bomlása révén keletkeznek
 Felezési idejük nagyon rövid, a Naprendszer keletkezése óta nem találhatóak meg
 38 ilyen mag ismert. Például: 226Ra (T=1600 év), 234Th (T=24,1 nap)
 Indukált természetes radionuklidok (3)
 állandóan keletkeznek a kozmikus sugárzás hatására
 10 ilyen mag ismert. Például: 3H (T=12,3 év), 14C (T=5730 év)
 mesterséges radionuklidok (4)
 emberi tevékenység során keletkeztek, a természetben nincsenek számottevően jelen
 2000 ilyen mag ismert 60Co, 137Cs, 24Na

Legfontosabb radioaktív atommagok 

 Amerícium 241Am
 Antimon 125Sb
 Cézium 134Cs, 135Cs , 137Cs
 Jód 129I, 131I , 133I
 Klór 36Cl
 Kobalt 60Co
 Kripton 85Kr , 89mn
 Kűrium 242Cm , 244Cm
 Plutónium 239Pu , 241Pu

 Radon 222Rn
 Rádium 226Ra , 228Ra
 Ruténium 106Ru
 Stroncium 90Sr
 Szelén 75Se
 Szén 14C
 Tórium 232Th
 Trícium 3H
 Urán 235U , 238U

A periódusos rendszer radioaktív elemei 
A periódusos rendszerben jelenleg 118 elemet ismerünk. Ebből 37 elemnek nincs stabil izotópja. Ezek az alábbi elemek:

 technécium
 prométium
 bizmut
 polónium
 asztácium
 radon
 francium
 rádium
 aktínium
 tórium
 protaktínium
 urán

 neptúnium
 plutónium
 amerícium
 kűrium
 berkélium
 kalifornium
 einsteinium
 fermium
 mendelévium
 nobélium
 laurencium
 raderfordium

 dubnium
 sziborgium
 bohrium
 hasszium
 meitnérium
 darmstadtium
 röntgénium
 kopernícium
 nihónium
 fleróvium
 moszkóvium
 livermórium
 oganeszon

Biológiai hatásai 

A fizikai hatást az ionizáció váltja ki, ami az elektronokra hat. Az elektronszerkezet megváltozása kémiai hatásként megváltoztatja a molekulákat, amelyek megváltozva a vegyületekben másképpen hatnak a sejtekre. Ez a biológiai változás hat a szövetekre, a belőlük felépülő szervekre, így az emberre is.

A sugárzási energia egyik hatása a DNS lánchasadása. Két változata van: a közvetlen és a közvetett. A közvetlen: a radioaktív részecske a DNS valamelyik atomjával ütközik, megváltoztatva az ezt tartalmazó nukleobázis kémiai szerkezetét, ami miatt a DNS hosszú lánca megszakad, illetve a gén szerkezete torzul. A közvetett: az eltalált atom ionizációja szabad gyököket hoz létre a sejtmagban, és ezek kémiai reakcióval változtatják meg a nukleobázist, roncsolva a DNS-t. (Az összes radioaktív sugárzás okozta DNS károsodás háromnegyede ilyen típusú.) Ha a sejt nem pusztul el, akkor a keletkezett hibát helyrehozhatja javító enzimekkel. Ha ez sikertelen, akkor az okozott mutáció vagy életképtelen és így elpusztuló, vagy megváltozott örökítő anyagú utódsejteket eredményez.

Egy-két sejt pusztulása nem okoz észlelhető kárt, de ha sok sejt pusztul el egyszerre, akkor az már károsan hat az adott szövet működésére, adott esetben teljesen leáll és/vagy elhalhat. Ilyen hatáshoz csak nagy dózis vezethet, amit determinisztikus hatásnak nevezünk. Következménye lehet a különböző fontos biológiai hatóanyagok pl. enzimek, vitaminok aktivitásának a csökkenése, vagy inaktiválódása, súlyosabb esetben különböző káros, esetleg halálos mutációk.

Néhány DNS-károsodás nem érint kódoló szakaszt, vagy csak inaktív marad további sugárzásig. 
A károsodás ilyenkor csak az utódokban jelenik meg.

Hogy a sugárzás biológiai hatásait objektíven felmérhessük, megfelelő fizikai mennyiségeket kell definiálni. Így vezették be a dózist, ami a sugárzásból 1 kg anyag által elnyelt energia mennyisége. Mértékegysége a gray (1 Gy = 1 J/kg). A régi, már hatályon kívül helyezett mértékegység a rad (1 rad = 0,01 Gy).

Kísérletileg igazolt tény, hogy a radioaktív sugárzás hatása élő szervezetekre nagymértékben függ a fajtájától és az energiájától. Adott energiájú alfa-részecske több kárt okoz, mint egy ugyanakkora energiájú elektron, vagy egy foton. A különbség a lineáris energiaveszteség (dE/dx) különbözőségében rejlik. Például egy alfa-részecske az energiáját fémben 1 mikrométer alatt adja le, míg ehhez egy gamma-fotonnak akár több centiméterre is szüksége lehet. Emiatt minden fajta sugárzáshoz egy koefficienst rendelünk – a biológiai hatásosságot (RBE – Relative Biological Effectivity). A dózis és a biológiai hatásosság szorzata az ekvivalens dózis, aminek a mértékegysége a sievert (Sv).

A radioaktív sugárzás hatása azonban az érintett szerv típusától is függ. Minden szervhez egy koefficiens tartozik, ami nem függ a sugárzás fajtájától és energiájától. Így az effektív dózis egy adott szervre egyenlő az ekvivalens dózis és a szerv koefficiensének szorzatával.

Egy embert Magyarországon átlagosan évi 3,1 (más forrás szerint 2) mSv természetes eredetű dózis ér, ami a levegőben lévő radonból és a kozmikus sugárzásból ered. Ehhez adódnak például a röntgenvizsgálatok hatásai. A nem természetes forrásból származó sugárzás megengedett lakossági effektív dózisa az érzékeny belső szervekre 1 mSv/év, de a végtagoknál és a bőrfelületet kívülrő érő sugárzásnál ez a határ 50 mSv/évre emelhető. Sugárzó anyagokkal dolgozóknál a hosszútávú megengedett dózishatár 20 mSv/év, rövidebb távon 50 mSv/év, végtagoknál és bőrnél 500 mSv/év.

A bomlási sorok 
A radioaktív bomlás során egy kémiai elemből (anyaelemből) egy új elem (leányelem) jön létre. Előfordulhat, hogy ez utóbbi is radioaktív, így újabb bomlás történik. Ez a folyamat addig tart, amíg egy stabil elemhez nem érünk. Ezt nevezik bomlási sornak. A radioaktív bomlás során a tömegszám vagy néggyel csökken (az alfa-bomlás esetében), vagy nem változik (a béta-bomlás és gamma-bomlás esetében). Ezért négy bomlási sor létezik attól függően, hogy a tömegszám négyes osztású maradéka 0, 1, 2 vagy 3. Ebből a négy bomlási sorból csak az a 3 maradt meg, amelyeknél a leghosszabb felezési idejű izotóp felezési ideje nagyságrendileg összemérhető a Föld életkorával (U-238, U-235 és a Th-232). A negyedik (neptúnium) anyaelemének bomlási ideje kétmillió év, így ez ma már csak mesterséges eredetből található meg a Földön.

238U-család, (zárójelben a felezési idők):
238U (4,468·109 év), 234Th (24,1 nap), 234Pa (6,70 óra), 234U (245 500 év), 230Th (75 380 év), 226Ra (1602 év), 222Rn (3,8235 nap), 218Po (3,10 perc), 214Pb (26,8 perc) és 218At (1,5 s), 214Bi (19,9 perc) illetve 218Rn (35 ms), 214Po (164,3 µs) és 210Tl (1,30 perc), 210Pb (22,3 év), 210Bi (5,013 nap), 210Po (138,376 nap) és 206Tl (4,199 perc), 206Pb (stabil).

235U-család, (zárójelben a felezési idők):
235U (7,04·108 év), 231Th (25,52 óra), 231Pa (32 760 év), 227Ac (21,772 év), 227Th (18,68 nap), 223Fr (22,00 perc), 223Ra (11,43 nap), 219Rn (3,96 s), 215Po (1,781 ms), 211Pb (36,1 perc) és 215At (0,1 ms), 211Bi (2,14 perc), 207Tl (4,77 perc) és 211Po (516 ms), 207Pb (stabil)

232Th-család, (zárójelben a felezési idők):
232Th (1,405·1010 év, 228Ra (5,75 év), 228Ac (6,25 óra), 228Th (1,9116 év), 224Ra (3,6319 nap), 220Rn (55,6 s), 216Po (0,145 s), 212Pb (10,64 óra), 212Bi (60,55 perc), 212Po (299 ns) és 208Tl (3,053 perc), 208Pb (stabil)

237Np-család, (zárójelben a felezési idők):
237Np (2,14·106 év), 233U (1,592·105 év), 229Th (7,34·104 év), 225Ra (14,9 nap), 225Ac (10,0 nap), 221Fr (4,8 perc), 217At (32 ms), 213Bi (46,5 perc), 209Tl (2,2 perc), 209Pb (3,25 óra), 209Bi (1,9·1019 év), 205Tl (stabil)

Alkalmazása

Kormeghatározás 

Élőlények maradványainak a korát a bennük található radioaktív  izotóp (a felezési ideje 5700 év) koncentrációjából lehet meghatározni. A magas légkörben folyamatosan keletkező  izotóp (radiokarbon) beépül az élő szervezetbe. Az élőlény kimúlása után az anyagcsere megszűnik, és a / izotóparány csökkenni kezd, mivel a kémiai tulajdonságokat meghatározó rendszám azonos, ezért az arány csupán a bomlás miatt változik meg. A maradványból kinyert szén megváltozott izotópösszetételéből következtetni lehet a maradvány korára. Ez a módszer kb. 40-50 ezer évig használható durván 10%-os pontossággal (ezen idő elteltével a  szinte teljesen eltűnik a maradványból).

Megjegyzés: bizonyos korrekciókkal a radiometrikus kormeghatározás pontossága nagymértékben növelhető, de ennek feltételei nem mindig teljesülnek. A radiokarbonos módszerhez pl. kiváló kalibrációs lehetőséget adnak a fák évgyűrűinek elemzései.

Más radionuklidokkal más korszakokat lehet vizsgálni (például: a / arányból is meg lehet állapítani a Föld korát).

Borok és egyes elzárt vízrétegek korát a bennük lévő trícium arányából határozzák meg.

Nyomjelzés 
A radioaktív nyomkövetés vagy nyomjelzés, amelyet Hevesy György dolgozott ki, a következőn alapszik: a rendszerben levő bizonyos elem egy részét ugyanazon elem radioaktív izotópjára cseréljük. Ettől kezdve különböző detektorokkal lehet követni az elem mozgását a rendszerben. Ily módon a pajzsmirigy működését, (a pajzsmirigybe radioaktív jódot viszünk), az erek átjárhatóságát, a növények tápanyagcseréjét (radioaktív foszforral) lehet vizsgálni.

Az izotópos füstjelző berendezések működésének elve, hogy a kis áthatoló képességű alfa-részecske a levegőben lebegő szilárd részecskéken (magyarul füst) nagy mértékben elnyelődik, így az átfolyó áram hirtelen lecsökken.

Megjegyzés: Az alfa-részecske kétszeresen pozitív, de nem sugárzó izotóp. Az aktív izotóp bocsátja ki az alfa részecskét, így az izotóp felezési idejétől függően, hosszú ideig egy állandó átfolyó áramot tart fenn. Ezt a tulajdonságát használják ki a pacemakerekben, hiszen így a beteget nem kell maximum 5-10 évente egy nyílt mellkas műtétnek kitenni, amit egy normál elem cseréje okozna.

Nukleáris erőművek 
Az atomerőművek központi része az atomreaktor ahol a kontrollált láncreakció zajlik.

Logisztika 
A radioaktív anyagok tárolását és szállítását szigorú szabályok és paraméterek határozzák meg, különleges kialakítású tárolólétesítmények és szállítóeszközök használhatók kizárólag erre a célra, melyek árnyékolják a káros sugárzást. Ettől függetlenül ritkán, de volt példa radioaktív izotópkapszulák elhagyására, melyeket civilek megtalálva hazavittek, maguk és mások halálát okozva, ezért az ilyen kapszulákra a radioaktivitásra figyelmeztető jelzéseken kívül a Drop & Run felíratot is ráírják, ami annyit tesz: Tedd le és fuss! Halálos kimenetelű „hazavitelre” 1962-ben Mexikóvárosban és 1984-ben Marokkóban is volt példa, 2023 elején pedig egy ausztrál bányavállalat hagyott el szállítás közben egy ilyen, mindössze 6×8 mm-es kapszulát a sivatagban az út mellett, amit később meg is találtak, személyi sérülés nélkül.

Jegyzetek

Források 
 Marx György: Atommag-közelben
 Ray Mackintosh – Jim Al-Khalili – Björn Jonson – Terra Pena: Az atommag – Utazás az anyag szívébe
 Fizikai Szemle: A radioaktivitás felfedezése
 A radioaktivitás (sulinet)
 A sugárzás - muszakiak.hu - a műszaki portál

További információk 
 Magyarított sztochasztikus Flash szimuláció az exponenciális bomlástörvényről 500 atommal. Szerző: David M. Harrison
 Magyarított sztochasztikus Java szimuláció az exponenciális bomlástörvényről 4550 atommal. Szerző: Wolfgang Bauer
 Flash prezentáció a fő bomlássorok egyikéről, hangsúlyozva a fő bomlásmódokat (α, β), plusz egy-egy ábra mind a 4-ről.
 Flash prezentáció a fő bomlássorok egyikéről, hangsúlyozva a ritka bomlásmódokat (SF, klaszter, βn), plusz egy-egy ábra mind a 4-ről.
 Magyarított Java szimuláció a négy fő bomlássor atomszámainak időbeli változásáról. Szerző: Yevgeniy Miretskiy