Radioaktivitás (Radioactivity)

A radioaktavitás felfedezése

A radioaktivitást 1896-ban Henri Becquerel francia tudós fedezte fel, amiért 1903-ban megkapta a fizikai Nobel-díjat. Becquerel foszforeszkáló anyagokkal kísérletezett. 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 (pár 10 cm levegőben). 1900-ban fedezte föl Paul Ulrich Villard a gamma-sugárzást, amit 10 cm ólom sem bír elnyelni. Később bebizonyították, hogy a gamma-sugárzás valójában nagyenergiájú elektromágneses sugárzás.

A radioaktivitás magfizikája

A magfizika 1930-as évekbeli viharos fejlődése új lendületet adott a radioaktivitással kapcsolatos kutatásoknak is. Gamow megmutatta, hogy a kvantummechanika eredményei alkalmazhatók a magfizikai folyamatokra, amivel a az alfa-bomlást sikerült megmagyaráznia. A béta-bomlás magyarázata azonban jóval nehezebbnek mutatkozott, és az elkövetkező évtizedek megmutatták, hogy ez valóban tartogat még meglepetéseket. A mesterséges radioaktivitás felfedezése mérföldkő volt a radioaktivitás szempontjából, mivel szélesre tárta a gyakorlati alkalmazások előtt a kaput. Más helyen már foglalkoztunk a radioaktív nyomjelzéssel, és a PET-tel, itt most következő példaként a radiokarbon kormeghatározást említjük meg.

GAMOW ÉS AZ ALFA-BOMLÁS

Gamow 1928-ban az alfa-bomlás elméletét adta meg. Ezzel elsőként sikerült a kvantummechanikát alkalmazni a magfizikai folyamatokra. Az alfa bomlás magyarázatát az úgynevezett alagúteffektusban találta meg. Ennek lényege az, hogyha egy részecske egy mély potenciálgödörben van, és összenergiája a klasszikus fizika szerint nem elég ahhoz, hogy a gödörből kijusson, akkor a kvantummechanika ezt mégis megengedi. A részecske bizonyos valószínűséggel a „átalagutazhat” a potenciálgáton. Természetesen minél nagyobb a potenciálgát és a részecske energiája közt a különbség, a valószínűség annál kisebb. Az alfa-bomlásnál a potenciálgátat a mag kötési energiája jelenti, amiből az alfa részecske az alagúteffektus révén mégis ki tud szabadulni bizonyos valószínűséggel.

A BÉTA-BOMLÁS

A béta-bomlás elméletét az olasz Fermi adta meg 1934-ben. A béta-bomlás során a magban lévő neutron bomlik el protonra és elektronra. A béta részecskék folytonos energia eloszlása azonban azt sugallta, hogy a folyamatra nem teljesül az energia megmaradása. Hogy ez teljesüljön, azt kellett feltenni, hogy egy kis tömegű semleges részecske is keletkezik a bomlás során, ami energiát és impulzust visz magával. Ennek a részecskének Fermi a neutrínó nevet adta. A pozitron-sugárzást 1933-ben fedezte fel a Joliot-Curie házaspár. Ennél a folyamatnál az elem rendszáma eggyel csökken egy proton elbomlása miatt, miközben az elektron antirészecskéje, a pozitron keletkezik. Az elektronbefogást az amerikai Alvarez ismerte fel 1937-ben. Ennél a folyamatnál úgy csökken az elem rendszáma, hogy a mag a hozzá legközelebb lévő elektronpályáról befog egy elektront, ami egy protonnal neutronná egyesül.

A JOLIOT-CURIE-HÁZASPÁR ÉS AZ ELSŐ MESTERSÉGES RADIOAKTÍV IZOTÓP

1934: Az első mesterséges radioaktív izotópot, a 30-as tömegszámú foszfort a Joliot-Curie-házaspár állította elő. Alumíniumot sugároztak be alfa részecskékkel. Az alfa részecskék neutronokat és pozitronokat löktek ki az alumíniumból. A besugárzást megszüntetve az alumínium pozitront sugárzott ki. (Ők csak valami pozitív sugárzást detektáltak, a pozitront később azonosították. A neutront sem ismerték még ekkor.) A pozitron sugárzás intenzitása a radioaktív bomlásnak megfelelő módon csökkent. Ez utalt arra, hogy radioaktív elem keletkezett. Miután a besugárzott alumíniumban kémiailag kimutatták a foszfor és a szilícium jelenlétét, a folyamat világossá vált.

A GAMMA-SUGÁRZÁS

A gamma-sugárzás akkor keletkezik, amikor valamilyen magátalakulási folyamat révén az atommag gerjesztett állapotban marad. Az ábrán a cézium 137-es bomlásának energiasémáját látjuk. A béta-bomlás utána a leányelem, a bárium gerjesztett állapotban marad, ezért szinte a béta-bomlással egy időben a felesleges energiájától egy gamma foton kibocsátásával szabadul meg.

LIBBY ÉS A RADIOKARBON KORMEGHATÁROZÁS

A levegő nitrogénje radioaktív szénné alakul a kozmikus sugárzás hatására. A radioaktív szén 5568 év felezési idővel bomlik. A növényekbe a fotoszintézissel, majd az állati szervezetbe a táplálékláncon bekerülve, egy egyensúlyi arányt vesz fel a stabil és a radioaktív szén az élő szervezetben. Ezt az egyensúlyi szénarányt ismert korú mintákon hitelesítik. A szervezet elhalása után a radioaktív szén bomlása miatt részaránya egyre kisebb lesz. Így a mintában lévő radioaktív szén arányából vissza lehet következtetni az elhalás korára. A módszer 300- 25000 éves leltekig alkalmazható megbízhatóan. Willard Frank Libby (1908-1960) életének meghatározó részében a Californiai Egyetmen dolgozott. Kutatásait az uránizotópok elválasztási módszerének kutatásával kezdte, a 2.világháború alatt is ezen a területen dolgozott. Közben érdeklődése a kozmikus sugárzás felé is fordult. Felfedezte azt, hogy a kozmikus sugárzás hatására a légkörben trícium és C-14 képződik. Ez a felfedezés lett alapja a radiokarbon kormeghatározásnak. A régészet számára oly fontos módszert 1947-ben találta meg Libby. Ezért a felfedezésért 1960-ban kémiai Nobel-díjat kapott.