A radioaktív sugárzások és a maghasadás

A radioaktív sugárzások radioaktív bomlás következtében jönnek létre. Bomlás során az instabil atommagok minden külső beavatkozás nélkül más atommagokká alakulnak, miközben radioaktív sugárzást bocsátanak ki. Ennek következtében az adott mennyiségű sugárzó anyagban csökken az eredeti izotóp mennyisége. Az adott idő alatt lebomló atommagok száma arányos a meglévő atommagok számával. Ez alapján N(t)=N₀*e^-lambda*t. Ahol lambda a bomlási állandó. Felezési időnek nevezzük azt az időtartamot, amely alatt a kiindulási magok száma a felére csökken. jele: T, vagy T_1/2. A radioaktív atommagok száma a felezési idővel is kifejezhető: N(t)=N₀*2^-t/T. Az egységnyi idő alatt bekövetkező bomlások számát aktivitásnak nevezzük. Jele: A, mértékegysége a Becquerel (Bomlás/s). Az atommagok bomlásakor fogy a radioaktív magok száma, így csökken az aktivitás is. Így: A(t)=A₀*e^-lambda*t, vagy A(t)=A₀*2^-t/T. A részecskeszám, és az aktivitás kapcsolata: A(t)=(Ln2/T)*N(t). Természetes radioaktív sugárzások között beszélhetünk alfa, béta és gamma sugárzásról. Az alfa sugárzás: hélium atommagok alkotják, az anyag 4es tömegszámú kétszeresen pozitív hélium atommagokat: alfa részecskéket bocsát ki. Az anyag alfa bomlása során egy az eredetinél kettővel kisebb rendszámú és néggyel kisebb tömegszámú anyag keletkezik, alfa részecske kíséretében. 6MeV szabadul fel. Az alfa részecskék sebessége megközelítőleg 10000-20000km/s, hatótávak b 2-3cmes levegőoszlop, vagy egy papírlap. A béta bomlás során az atommag neutronja protonná alakul, miközben egy elektront bocsát ki. A kiindulási anyag rendszáma eggyel megnő, más anyaggá alakul. Hatótávolsága kb 10-15cmes levegőoszlop, részecskéi sebessége 10000-300000km/s. A gamma sugárzás során az atom elektromágneses sugárzás, foton kibocsátása során ad le energiát. Hatótávolsága: kb 5-10cm ólom nyeli el, sugárzásának hullámhossza: kisebb, mint 10^-10m.

Miután J. Chadwick felfedezte a neutront kísérletsorozatot indítottak melyek során különböző atommagokat sugároztak be neutronokkal, kihasználva, hogy a neutron semleges töltése miatt képes a magba hatolni. Fermi volt az első, aki ezzel a módszerrel szeretett volna uránnál nagyobb rendszámú elemet előállítani. A transzuránok keresésében követte őt Irene Curie és J. Scherrer. Felfedezték, hogy az így mesterségesen előállított izotópok alfa, vagy béta sugárzást kibocsátva másik atommaggá alakulnak. 1938 decemberében Hahn és Strassman felfedezte a maghasadást. Azt vették észre, hogy a besugárzott urán jóval kisebb rendszámú báriummá alakul. Késöbb megmutatták, hogy a kripton és bárium mellett más hasadási termékek is keletkezhetnek. Így a maghasadás az a jelenség, amely során a nagy tömegszámú atommag két kisebb tömegszámú atommaggá és néhány neutronná esik szét energia felszabadulás kíséretében. A természetben előforduló atommagok közül csak a 235ös tömegszámú urán izotóp képes hasadásra. Maghasadás során a 235ös urán befog egy neutront, így 236os uránná válik, mely nem stabil állapot, így az atommag vízcsepphez hasonlóan rezgésbe jön, és két részre szakad. A két rész a coulomb erő miatt nagy sebességgel szétlökődik. Mivel a hasadási termékekben több neutron van mint stabil formáikban, ezért radioaktívak, béta sugárzással stabil magokra bomlanak. A keletkező neutronok száma a végterméktől függően 2 vagy 3, ezek újabb urán magoknak ütközve újabb hasadásokat idézhetnek elő. Mivel a felszabaduló neutronok túl gyorsak ahhoz, hogy az uránnak ütközve újabb hasadást idézzenek elő, ezért a reakció fenntartásához le kell lassítanunk őket. Ez úgynevezett moderátor közeggel tehető meg, ami alatt könnyű atommagokból álló anyagot értünk. Ezt az ismétlődő folyamatot magfizikai láncreakciónak nevezzük. A sokszorozási tényező megmutatja, hogy reakció során keletkező neutronok a későbbi reakciók során hányszor több, kevesebb maghasadást idéznek elő. Jele: k. Ha az n számú hasadás során keletkező neutronokból n’ számú idéz elő újabb hasadást, akkor k=n’/n. Ha k nagyobb mint egy akkor a láncreakció önfenntartó úgynevezett szuperkritikus, ha k kisebb mint egy, akkor szubkritikus, ha megegyezik, akkor kritikus. A létrejövő neutronok kb 0,01ms alatt váltanak ki újabb hasadást, de vannak úgynevezett késő neutronok is, melyek aránya 0,65%a a neutronok számának. A sokszorozási tényező ezekkel együtt lesz 1nél nagyobb a szabályozott láncreakció során.

Azért mondhatjuk, hogy a radioaktivitás statisztikus jelenség mivel nem lehet tudni, hogy egy instabil mag melyik pillanatban fog elbomlani. A magok bomlásáról csak annyit tudunk mondani, hogy nagyon sok mag közül adott idő alatt mennyi fog elbomlani. Tehát egy magról, csak annyit tudunk megállapítani, hogy adott idő alatt mekkora valószínűséggel fog elbomlani.

Radioaktivitást vizsgáló tudósok:

Becquerel fluoreszkákló ásványokat vizsgált, azt feltételezte, hogy röntgensugárzást bocsátanak ki. Az urán tartalmú ásványai radioaktív sugárzást bocsátottak ki. Megállapította, hogy a sugárzás erőssége nem befolyásolható semmilyen kémiai, fizikai behatással.

Marie Curie és Pierre Curie Radioaktivitás elnevezése, rádium és polonium felfedezése.

Rutherford alfa, béta, gamma sugárzás elkülönítése.