Hungary

Az előző fejezetben a tárgyak méretével foglalkoztunk, különösen a nanoméretű dolgokkal, amely tartományba esnek az atomok és molekulák is. Már megismertük az atomok és legfőképp az atommag felépítését is, így rátérhetünk az atommagot érintő érdekesebb témákra.
Az atommagfizika egyik legnagyobb ága a radioaktivitással foglalkozik, ami nem más, mint bizonyos atommagok esetén jelentkező természetes jelenség. A radioaktivitás mindenhol ott van körülöttünk: a talajban, az űrben, sőt még a saját testünkben is. A radioaktivitásnak egyfolytában ki vagyunk téve, nemcsak akkor, amikor orvosi röntgenfelvételt készítenek rólunk, ezért rendkívül fontos, hogy megértsük miről van szó.
Ebben a fejezetben a radioaktivitás felfedezését tárgyaljuk, majd rátérünk arra, hogy mi okozza, honnan származik, és végül hogyan hat kölcsön a körülöttünk lévő világgal.

A radioaktivitást Henri Becquerel 1896-ban fedezte fel, amikor röntgensugarakkal dolgoztt. Akkoriban úgy gondolták, hogy az uránium a Nap sugárzását elnyeli, majd röntgensugarakat bocsát ki. Becquerel ezt akarta bebizonyítani egy fényképlemez felhasználásával, mivel azt tapasztalták, hogy a röntgensugarak megfeketítik az ilyen lemezeket. A kísérlet napján borult volt az ég, úgyhogy Becquerel azt hitte kudarcba fullad a próbálkozása. Ennek ellenére mégis megvizsgálta a fényképlemezt, és azt vette észre, hogy az anélkül is megfeketedett, hogy az uránium ki lett volna téve a Nap sugárzásának, ezzel megcáfolta az addig elfogadott elképzelést. A következő lépésben azt akarta megvizsgálni, vajon röntgensugárzás vagy valamilyen más sugárzás lép-e ki az urániumból. Ezért különféle sugárforrásokat helyezett mágneses térbe egy vákuumkamrában, amely források elé fényképlemezt tett, ahogyan ez az ábrán is látható. A röntgensugarakról már akkor tudták, hogy semlegesek, azaz mágneses térben nem térülnek el. Azonban a fényképlemezen a sugárzás olyan nyomot hagyott, amelyből egyértelmű volt, hogy az urániumból kilépő sugárzás eltérült. Volt olyan másik sugárforrás, amelynél éppen a másik irányba történt eltérülést észlelt és volt olyan amelynél egyáltalán nem tapasztalt eltérülést. Ebből arra következtetett, hogy az anyagokból kilépő sugárzásoknak három fajtája van: elektromosan negatív, pozitív illetve semleges.
Számos tudós áldozta annak az életét, hogy ezt az új jelenséget tanulmányozza, köztük volt Marie és Pierre Curie, akik a polóniumot és a rádiumot fedezték fel. Rutherford, akiről az atommag felfedezőjeként korábban már volt szó, szintén foglalkozott a radioaktivitással, különösen fajtáinak azonosításával és tulajdonságaik vizsgálatával. A három típus nevét is neki köszönhetjük: alfa-, béta- és gamma-sugárzás, a görög ábécé első három betűjének megfelelően. Az alfa-részecskékről már korábban is beszéltünk, amelyekkel az aranyatom belsejét tárta fel Rutherford, azonban most részletesebben is szemügyre vesszük őket. Azonban előbb nézzük, hogy az urániumon kívül milyen anyagok esetén találkozhatunk radioaktivitással és mi is ez valójában.

Tudjuk, hogy bizonyos elemek radioaktívak mások pedig nem. Ez azt sugallja, hogy a radioaktivitásra a magyarázatot atomi szinten, méginkább az atommag szintjén kell keresni.
A radioaktív atomok által kibocsátott sugárzásnak három típusa van: alfa-, béta- és gamma-sugárzás. Ezek tulajdonképpen az atommag által, annak instabil állapota miatt kibocsátott részecskék vagy energia, másképpen megfogalmazva az atomoknak az instabilitás miatt bekövetkező bomlásai.
Akkor miért instabilak bizonyos atomok és mások miért nem?
Erre majd később válaszolunk, most csak elégedjünk meg annyival, hogy ez az atommagokban lévő nukleonok számával, pontosabban a protonoknak a neutronokhoz mért arányával kapcsolatos. A sugárzások eltérő típusai pedig az instabilitás eltérő formáiból következnek, ezért bocsátanak ki a különféle források különböző sugárzást.
Az instabilitás nem korlátozódik az atommagokra. Még a neutron is bomlik, amelynek élettartama körülbelül 10 perc. Sok kutató úgy véli, hogy a proton élettartama is véges, azonban mindeddig csak azt sikerült meghatározni, hogy ez az élettartam 1029 évnél több. Az emberi élet hosszúságával összevetve a proton stabilnak tekinthető.
Most már van arról elképzelésünk, hogy mi a sugárzás, lássuk, hogy hol találkozhatunk vele.

A radioaktivitás nem csak a veszélyes urániumra és rádiumra jellemző. Persze ezek a legerősebb ismert források, azonban a radioaktivitás jóval kisebb mértékben máshol is megtalálható. A Becquerel által felfedezett, az uránium által kibocsátott sugárzás jön a közetekből, az űrből, ott van a levegőben, amelyet belélegzünk, a vízben, amelyet megiszunk, a tengerben, amelyben úszunk, és mi magunk is hordozói vagyunk.
Lehet, hogy meglepő, de minden ember, akit ismerünk radioaktív. Természetesen gondolhatnánk, hogy ezt a modern technológia okozza, hisz itt vannak körülöttünk az atomerőművek, az orvosi képalkotó eljárások, a számítógépek, mégis tévednénk. A földi élet kezdete óta minden növény és állat radioaktív, ez történelmünk része. Lássuk akkor részletesebben, hogy ténylegesen hol is találkozunk a radioaktivitással!

A talaj

A radiokatív elemek a Földön mindenütt megtalálhatók. Számos ásvány, legfőképp a gránit tartalmaz néhány urániumvegyületet. Valójában a talajban és a kőzetekben az uránium és a fémek, mint például az ón, a cink vagy a wolfram, gyakorisága összemérhető. Azonban más radioaktív vegyületek még ennél is gyakoribbak; a tórium például az uránnál háromszor gyakoribb a Földön. A tizenkilencedik században, mielőtt az elektromos világítás átvette a szerepet a gázlámpáktól, tórium-oxidot használtak a fényerősség növelésére. A 21. században a tóriumot akár fűtőanyagként is használhatják az új típusú atomerőművekben.

Az ábrán az uránium gyakoriságát láthatjuk a kőzetekben. 10 kilónyi anyag áll szemben három huzalnyi, azaz 30 milligramm tömegűvel. Ez az uránium aránya a kövekben a Földön.
Tehát a kőzetek urániumot és más radioaktív anyagot tartalmaznak, és ez a sugárzás jelentősen hozzájárul az úgynevezett háttérsugárzáshoz. Ennek a környezetünkből származó háttérsugárzásnak vagyunk kitéve nap, mint nap egész életünkben. A testünk ehhez alkalmazkodott többféle módon, ahogyan azt mindjárt tárgyaljuk. A képen az európai háttérsugárzás térképét láthatjuk. A különbségek leginkább abból adódnak, hogy az egyes tájakon más-más közettípus az uralkodó. Például Anglia délnyugati részén a talaj típusa gránit, ezért itt nagyobb a háttérsugárzás, mint máshol, ahol a mészkő a jellemző. Franciaország középső részén nagyon nagy a háttérsugárzás az ott honos kőzetekből felszivárgó radongáz miatt. A kőzetek mellett más tényezők is alakítják a háttérsugárzást.

Az űr

A világegyetemben számos forrásból származó sokféle sugárzással találkozhatunk. Ilyenek például a rádiógalaxisokban látott szuperluminális (látszólag a fénynél gyorsabb) kisugárzások, fekete lyukak vagy akár a Naprendszer más bolygói. A csillagászok különleges távcsöveket használnak a röntgen- és gamma-sugárzást kibocsátó források utáni kutatásban. Ezek a források minden irányban sugároznak, és még olyan objektumokból származó részecskék is elérnek minket a Földön, amelyek száz vagy ezer fényévre vannak tőlünk. Azt a részt, amit ezekből az űrben bolyongó forrásokból származó sugárzásból detektálunk a Földön összefoglaló néven kozmikus sugárzásnak nevezzük. Ha magasabbra megyünk, a kozmikus sugárzásból is többet észlelhetünk. A hegyek csúcsain jóval nagyobb intenzitást tapasztalhatunk, mint a tengerszinten, mivel vékonyabb atmoszférán kell áthatolniuk a részecskéknek.
A kozmikus sugárzást nagyon nehéz megfigyelni, és gyakran komoly problémát okoznak a kutatóknak. Előfordul, hogy nagyon gyenge radioaktivitást kell detektálni, ami olyankor fordulhat elő például, amikor gyenge, nagyon távoli gamma-forrásokra vagyunk kíváncsiak, amelyek a Föld irányába a részecskék csak igen kis részét sugározzák, vagy amikor a világegyetem tágulását és a vele együtt járó mikrohullámú sugárzást vizsgáljuk.

Az ilyen esetekben reménytelen lenne a radioaktivitást a Föld felszínén detektálni, mivel a kozmikus sugárzás teljesen elfedné azt. Éppen ezért néhány kísérletet kilométerekkel a Föld felszíne alatt végeznek, természetesen elkerülve például a gránitot, amely sok urániumot tartalmaz. Az egyik alapvető részecske, a neutrínó (később még szóba kerül) detektálása pont ilyen különleges feltételeket kíván meg.

A jobboldali képen egy neutrínódetektort láthatunk, amely egy olasz hegy mélyén, 1,4 kilométerrel a felszín alatt található.

Tengervíz

Ahogyan a folyók keresztülfolynak a kőzeten és a talajon mindenféle oldott sókat visznek magukkal. Idővel, amikor a víz a napfény hatására elpárolog, a sók koncentrációja megnő. Mivel számos kőzet tartalmaz urániumot, nem meglepő, hogy a tengerben is van urániumsó. Emiatt a tengervíz kissé radioaktív, amit nem kizárólag az uránium okoz, hanem más anyagok is, többek között például a 40K (kiejtve kálium-40). A káliumnak ezen formája felelős a testünk radioaktivitásáért.
Átlagosan a tengervíz 3 milligramm urániumot tartalmaz ezer literenként (1 köbméterenként). Ez nem tűnik túl soknak, azonban ha a tizedére sikerülne csökkenteni az urániumnak a tengervízből történő kivonásának költségét, akkor ez pénzügyileg egy hasznot hajtó vállalkozás lenne. Ha a jelenlegi urániumbányák kiürülnek, akkor elképzelhető, hogy az atomerőművek a tengerből kinyert urániummal fognak működni.

A levegő

A belélegzett levegő kis mennyiségben a szén egyik radioaktív formáját, a 14C-t (kiejtve szén-14) tartalmazza. A szén-14 atomok az atmoszférában a kozmikus sugárzás hatására jönnek létre. A kozmikus sugárzás számtalan átalakuláson megy keresztül, amelyek közül az egyikben termikus (nagyon kis energiájú) neutronok is termelődnek. Ezek a neutronok az atmoszféra nitrogén-14 atomjaival kölcsönhatásba lépnek, amelynek során szén-14 atomok és protonok keletkeznek. Ezek a szénatomok aztán szén-dioxid molekulákká alakulnak, amelyeket a növények kivonnak a levegőből a fotoszintézishez, hogy cukrot és cellulózt állítsanak elő, így a folyamatban lekötik a szén-14 atomokat. Amikor megesszük a növényeket, vagy azokat az állatokat, amelyek a növényeket megették, a szén-14 atomok belénk is átkerülnek. Ezt a tényt, hogy minden élőlény szén-14 atomokat vesz magához élete folyamán, fel lehet használni arra, hogy egy élőlény száz-ezer éves maradványának korát meghatározzuk. Ehhez azonban szükségünk lesz a radioaktív atomok felezési idejének használatára, amellyel a későbbikben ismerkedünk meg.

A testünk

A mindennapi ételünk két-három grammját a kálium teszi ki. Ez azt jelenti, hogy testünk minden kilogrammjára körülbelül 50 káliumatom bomlása és részecskekibocsátása jut minden másodpercben! Emlékezzünk arra is, hogy minden elfogyasztott növénnyel (vagy állattal, amely növényt evett) radioaktív szén-14 atomokat juttatunk a szervezetünkbe. Ezen túl természetesen nyomokban más radioaktív elemeket, még urániumot is tartalmaz a testünk. Ha például úszás közben egy kis tengervizet nyelünk le, akkor gyomrunkba kis mennyiségű uránium is kerül, amelyet a tengervíz tartalmaz oldott formában.
Bemutattuk, hogy a kozmikus sugárzás hogyan hoz létre szén-14 atomokat, amelyeket szénhidráttá alakítanak a növények. A szén-14 bekerül a táplálékláncba, így annak minden élőlény a hordozója, beleértve az állatokat és az embert is.

A nagy mennyiségű radioaktivitás halálos lehet, emberek ezrei haltak meg a Japánra ledobott atombombák pusztító hatására 1945-ben. 1986-ban 31 embert ölt meg a sugárzás, amikor az Ukrajnában található csernobili atomerőmű felrobbant. Erről többet is olvashat az "Előnyök és veszélyek" illetve a "Magfizika a történelemben" című fejezetekben.
Az egészségre ártalmas sugárzás mennyisége jóval nagyobb a kozmikus forrásokból, kőzetekből, stb. származó háttérsugárzásnál. A háttérsugárzás által megrongált sejtek képesek megjavítani magukat, mivel közülük egyszerre csak néhány sérül meg. Nagy dózisok esetén azonban azonos időben nagyon sok sejt károsodik, amelyek nem tudják megjavítani magukat gyorsan, ami veszélyezteti az életet.
Tudjuk, hogy a növények és az állatok élete és fejlődése a radioaktivitás jelenléte alatt ment végbe milliárd éveken keresztül. Tehát a radioaktivitás veszélyessége azon múlik, hogy mennyit kapunk belőle. Még a túl sok só is megölheti az embert, ezért az óceánokon hajózok akár szomjan is halhatnak. Ahogy a mondás tartja: Jóból is megárt a sok!
De honnan tudhatjuk, hogy mennyi a túl sok? Először meg kell tanulnunk, hogy milyen típusai vannak a sugárzásnak és ezek közül melyik mennyire veszélyes. Az aktivitásról és a sugárzásnak az anyaggal történő kölcsönhatásairól szóló fejezetben megismerhetjük, a veszélyesnek tekinthető sugárzási szintet.

Az előző fejezetben megtanultuk, hogy mi a radioaktivitás: instabil atomok bomlása, amelynek során részecske- vagy energiakibocsátás történik. Most megnézzük, hogy mitől instabil egy atommag és milyen sugárzástípusok léteznek.

Izotópok

Láttuk, hogy az atomok magja protonokból és neutronokból épül fel, a mag körül pedig elektronok keringenek. Azt is tudjuk már, hogy az atomok elektromosan semlegesek, míg az ionok (olyan atomok, amelyek elektronokat veszítettek el vagy fogtak be) töltöttek. A radioaktivitás megértésének kulcsa az izotópoknál keresendő.
Azt már említettük, hogy a szén-14 radioaktív, azonban a szén-12 nem az. Miben különbözik a szén-14 a szén-12-től? A különbség a magjukban rejlik. Mivel mindegyik atom szénatom, mindkettőnek azonos számú protonnal, azaz azonos rendszámmal kell rendelkeznie. Ez határozza meg az elemet és annak nevét is. Ha az elektronok számát megváltoztatjuk, akkor egy adott atomot csak ionná teszünk. Ezért muszáj a neutronok számát módosítani. Így azt mondjuk, hogy a szén-14 és a szén-12 is egy-egy szénizotóp, amelyek között csak annyi a különbség, hogy magjukban eltérő a neutronok száma, de ettől még ugyanolyan elemként viselkednek.
Egy elemnek számos izotópja létezhet. Az egyik híres példa erre a deutérium, amely egy hidrogénizotóp, magjában egy neutronnal és egy protonnal. A deutérium az úgynevezett nehézvíz alkotóeleme, amelynek számos érdekes felhasználási formája van, lehet vele például neutrínókat detektálni, vagy az atomreaktorokban a magreakciókat szabályozni.
Az instabil izotópok nagyon hasznosak az orvosi eljárásokban, biztonsággal alkalmazhatók rövid felezési idejük miatt. Az egyetlen probléma az, hogy ezek az anyagok nem találhatók meg a természetben, ezért ciklotronok segítségével kell őket mesterségesen előállítani a például a kórházakban. A ciklotronok olyan berendezések, amelyek ionokat gyorsítanak elképesztő sebességre elektromágnesek felhasználásával. Különböző méretű ciklotronok léteznek, amelyeket más-más izotópok előállítására lehet alkalmazni. Ezekben a berendezésekben a felgyorsított töltött részecskéket ütköztetik más atommagokkal ahhoz, hogy a kívánt radioizotópot előállítsák. A radioizotóp kifejezést az instabil, radioaktív izotópokra használjuk.
Az elemek legstabilabb formái azok, amelyeket a periódusos rendszerben találunk és a természetben is a legnagyobb gyakorisággal fordulnak elő. Azonban ezek tényleg a stabilitásuk miatt olyan gyakoriak, mivel az instabil izotópok más stabilabb elemekbe bomlanak. Mi teszi tehát stabilabbá az egyik izotópot a másiknál?

Stabilitás

Az atommagokról szóló fejezetben röviden megemlítettük, hogy a nukleonokat az erős kölcsönhatás tartja össze, amely jelentősen túlszárnyalja a protonok közötti elektrosztatikus taszítást. Ez jelenti a kulcsot az atommagok stabilitásának megértéséhez. Az erős kölcsönhatásban mind a protonok, mind a neutronok részt vesznek, azonban csak a protonok taszítják egymást, ezért a neutronok összetartják az atommagot anélkül, hogy hatna rájuk az elektrosztatikus taszítás.
Azt gondolhatnánk ebből, hogy minél több neutront teszünk egy atommagba, akkor annál stabilabb lesz. Azonban nem ez a helyzet, a stabilitás csak a neutronoknak a protonokhoz viszonyított speciális arányánál, amely körülbelül 1-1,6, áll fenn. Ettől eltérő arányok esetén az atommag instabil és elbomlik. Például a nitrogén stabil és a fenti arány 1; 7 neutront és 7 protont tartalmaz. A tartomány másik végén az ólom áll, amely szintén stabil, de magjában 82 proton és 126 neutron van, ami 1,54-es arányt jelent. A képen a stabilitási vonalat láthatjuk a proton- és neutronszám függvényében.

Attól függően, hogy egy atommag hol helyezkedik el az ábrán, három bomlási mechanizmust különböztethetünk meg. Ha az atommag protonhiányos, béta-bomlás következik be. Azonban ha neutronhiányos az atommag, akkor ellenkező módon megy végbe a bomlás, amelyet pozitron-bomlásnak (más néven béta-plusz bomlásnak) nevezünk. Ennek a folyamatnak egy alternatívájaként az úgynevezett elektronbefogás jelensége is lejátszódhat, amikor az atommag "megköt" egy elektront, amelynek végterméke ugyanaz lesz, mint a béta-plusz bomlásé. Nagyon nehéz atommagok esetén a bomláskor tömegvesztés is létrejön, mivel ez energetikailag előnyös, és a könnyebb atommagok stabilabbak is, ezért ilyenkor alfa-részecske (két proton és két neutron) kibocsátása történik. A béta- vagy alfa-bomlás során az atommagokban a protonok száma megváltozik, azaz másik elem keletkezik; ezeket a folyamatokat közösen transzmutációnak nevezzük. Bizonyára hallottak már az alkímiáról, amivel a tudósok az elemek felfedezése előtt foglalkoztak. Sokan próbáltak meg mindenféle anyagot más anyaggá, általában arannyá alakítani, ami tulajdonképpen transzmutáció, amelynek minden instabil atommag, gyakran számos alkalommal, alá van vetve mielőtt stabillá válna. Minden egyes bomlási mechanizmusról a következő fejezetben tovább olvashatunk.

Kötési energia

Az atommagfizika egyik rendkívül fontos fogalma a kötési energia. A kötési energiának számos meghatározása létezik, azonban számunkra a mag kötési energiája a lényeges. Ez az az energia, amennyit közölni kellene az atommaggal ahhoz, hogy legyőzve a nukleonjai között fennálló vonzást, teljesen alkotórészeire (független, egyedi nukleonjaira) bontsuk. Az atommag teljes kötési energiája kisebb, mint az alkotórészeinek összenergiája, ami összetartja az atommagot. A nukleonoknak energetikailag kedvezőbb (azaz kisebb energiájú) ha atommagot hoznak létre, mint ha egyedi részecskeként léteznek. Ebből kifolyólag a kötési energia egy nukleonra eső részének fogalmát is érdemes bevezetni és használni.

Van egy határ, amin túl az erős kölcsönhatás már nem képes több nukleont megkötni. A legnagyobb ismert atommag az uránium, amely 238 nukleont tartalmaz. Azonban ez az atommag rendkívül instabil, ahogyan azt már megtanultuk radioaktív, szóval muszáj elbomolnia.
Az alfa-bomlás segítségével az atommag tömeget tud veszíteni, azaz növelni tudja a stabilitását egy alfa-részecske, azaz egy héliumatommag kibocsátásával. A kibocsátó atommag négy nukleont veszít, két protont és két neutront, azaz transzmutálódik, mivel megváltozik a protonszáma. Ez az az alfa-részecske, amelyet Rutherford alkalmazott a szórási kísérletében, hogy az atomokat tanulmányozza.
Ahogyan azt már mondtuk, az alfa-bomlásban csökken a tömeg, azonban ez a folyamat csak akkor kivitelezhető, ha az egy nukleonra eső kötési energia meghaladja a legkisebb, minimális értékét. Tehát csak a nikkelnél nehezebb atommagok esetén lehetséges, azonban ilyen bomlást valójában kizárólag a legnehezebb atommagoknál, a tellúriumnál és afölött figyeltek meg. Az alfa-bomlás az úgynevezett "kvantumos alagúteffektus" egyik példája. Az atommag egy potenciálgátat hoz létre, ahogyan az az ábrán is látható, amely az atommagban már létező alfa-részecskéket csapdában tartja.

Ahhoz, hogy egy részecske el tudja hagyni az atommagot elvileg a potenciálgát magasságánal nagyobb energiával kell rendelkeznie. A klasszikus mechanika törvényei szerint ezért alfa-bomlás nem létezhetne, mivel az alfa-részecskék sohasem lennének képesek átjutni a potenciálgáton. Azonban a kvantummechanika törvényei szerint az alfa-részecske megtalálási valószínűsége a potenciálgát túloldalán nem nulla, azaz egyfajta alagúton keresztül átmehet a gáton és megjelenhet a másik oldalon.

A sugárzások osztályozásának történetileg egyik első szempontja az volt, hogy mennyire képes behatolni az anyagokba. Az alfa-részecskék elég nagy tömegűek és lassúak, ezért nagy eséllyel lépnek kölcsönhatásba az útjukba kerülő más részecskékkel. Ebből kifolyólag csak néhány centimétert képesek megtenni a levegőben, és teljesen lefékeződnek egy papírlapban vagy egy alumíniumfóliában.
Számos alfa-forrás létezik, amelyek közül a legismertebb az uránium. Az uránium egy alfa-részecskét (α) bocsát ki, miközben átalakul tóriummá, ahogyan azt az alábbi egyenlet is mutatja.

238U → 234Th + α

Ez az uránium bomlásának első lépése csak, amelyet több másik követ, amíg egy stabil elem nem keletkezik.