A sugárzásról - érthetőbben

Először is tisztázzuk, a radioaktivitás nem az "emberiség találmánya". Létezett, létezik és létezni fog, amíg a világunk ebben a formájában fennáll.

Azért tudunk róla, azért vagyunk képesek foglalkozni vele, mert megismertük.
Csak akkor jelent a "természetesnél nagyobb mértékű veszélyt", ha használjuk, mi magunk is előállítunk ilyen anyagokat, ha nem járunk el körültekintően. De ugyanilyen súlyos problémákat okozhatnak a mérgező anyagok, a veszélyes hulladékok, az üvegházhatást okozó gázok, stb. is.

A sugárzásokat valamiféle "misztikum" lengi körül még mindig, mert semmilyen érzékszervünkkel nem érzékeljük. Nem lehet látni, hallani, tapintani...

Alapismeretek

Ahhoz, hogy megértsük a radioaktív sugárzást nézzük meg először az atomok felépítését.
Egy szénatomon mutatom be az "alapokat".

	A "recept" valahogy úgy hangozna, hogy "Készítsünk egy szénatomot." "Végy hat protont és hat neutront, gyúrd össze őket, ügyelve, hogy az átmérőjüknél közelebb kerüljenek egymáshoz. Engedjél köréjük hat elektront - kettőt a belső, négyet a külső pályára..."
	A gombokkal lépkedhet az egyes folyamatokon.

Kicsit nehéz összehozni őket, de ha sikerül elég közel juttani egymáshoz a magrészecskéket (protonokat, neutronokat), akkor már jó erősen "összeragadnak".
Az atommag részecskéit a magerő tartja össze, amely az elektromágneses kölcsönhatásnál vagy 30 nagyságrenddel erősebb, de csak nagyon közelről hat. Az elektronok az elektromágneses kölcsönhatás miatt maradnak körülöttük a megfelelő pályákon mozogva.
Kaptunk egy szép, stabil, "normális" szénatomot 12-es tömegszámmal.
(Persze ez csak egy nagyon durva szemléltetés, elektronok a valóságban nem így mozognak. "Kívülről nézve" egy "elektronfelhőt", egy egységes, átlátszatlan felületet láthatnánk, ahol úgy tűnik, mintha az elektronok mindenütt ott lennének minden pillanatban. Az egész egy stabil golyónak tűnik, annyira tömör "felhőt" képez az a négy elektron, ami a szénatom külső elektronhéján található.)
Ilyenek milliárdjaiból épülnek fel a testünket alkotó fehérjék és egyéb szerves molekulák.

A radioaktivitás szempontjából minket most az atommag érdekel. Ezért a további szemléltetésből az elektronokat elhagyom.

Nézzük meg mi történik, ha egy kicsit eltértünk a "recepttől" és kettővel több neutron került bele.
Látszólag semmi nem történik, hiszen "kivülről" nézve ugyanolyan szénatomunk van, mint a többi, ugyanolyan módon beépül a szerves molekulákba. Csak egy kicsit nehezebb (úgy 15 %-kal).

Radioaktív sugárzások fajtái
(alfa-sugárzás, béta-sugárzás, gamma-sugárzás)

Van egy egyáltalán nem elhanyagolható különbség a ("normál") C12 és a C14 között. Ennyi neutronnal már "nem érzi jól magát" a szénatom. Ezt a "rossz közérzetet" spontán hasadás formájában vezeti le.

Az animáció a 6 protonból és 8 neutronból álló C14 radioaktív szén izotóp atommagjának béta-bomlását mutatja be. Ekkor az egyik (sárga körrel jelölt) neutron protonná alakul egy elektron távozásával. Közben az izotóp tömegszáma nem változik rendszáma eggyel nő, vagyis egy ugyancsak 14-es tömegszámú izotóp keletkezett, de egy másik elem, a nitrogén izotópja jött létre. (A képre kattintva indul. Újra rákattintva visszaáll az alaphelyzetbe.)

Persze nem tudni előre, hogy a sok ilyen C14-es izotóp (radiokarbon) közül melyik bomlik majd el, de az biztos, hogy mintegy 5600 évente az ilyen izotópok fele elbomlik. Vagyis a felezési ideje 5600 év.
Ez teszi lehetővé a szerves eredetű anyagok radiokarbon kormeghatárását.

A radioaktivitás (sugárzás) tehát azt jelenti, hogy egy - valamilyen ok miatt - instabil izotóp valamilyen másik izotóppá alakul, miközben valamilyen sugárzás keletkezik. Az instabilitás oka mindig a "nem megfelelő" proton/neutron arány.
Ez a bomlás mindaddig fennál, amíg stabil izotóp nem alakul ki. A C14 esetén ez egyetlen lépésben bekövetkezik.
Vannak olyan bomlási sorok azonban (pl. az uráné), amely nagyon sok lépésben ér el stabil izotópot, a közbenső "termékek" továbbra is instabil, radioaktív izotópok.

Maga a sugárzás úgy képzelhető el, mintha nagyon apró "lövedékek sorozata" távozna az adott anyagból. Az, hogy a "lövedékek" mekkorák, milyen gyorsak, milyen gyakoriak, mekkora az energiájuk az adott izotópra jellemző.
A "lövedékek" (az anyagból távozó részecskék) háromfélék lehetnek:
- Alfa bomlás esetén "komplett héliumatommagok" távoznak igen nagy sebességgel (10-15.000 km/s - kb. a hangsebesség 40.000-szerese). (Szemléltetése az alábbi animációban látható.)
- Béta bomlás esetén közel fény sebességű elektronok távoznak. (Szemléltetése fentebb a C14 izotópnál látható.)
- Gamma sugárzás során a röntgen sugárzásnál is nagyobb energiájú fotonok hagyják el a magot. (Szemléltetéseaz alábbi két képen látható.)

A 88 protonból és 138 neutronból álló Ra226 radioaktív rádium izotóp atommagjának alfa-bomlásakor az elkülönülten ábrázolt alfa-részecske (héliumatommag) távozik az atommagból.	Ekkor az izotóp tömegszáma néggyel, rendszáma kettővel csökken és egy 222-es tömegszámú radon (egy radioaktív nemesgáz) keletkezik, vagyis egy másik elem izotópja jön létre.

Gamma sugárzás akkor jön létre, amikor az atom valamilyen bomlás után még gerjesztett állapotban van, és ezt egy vagy több "adagban" gamma-kvantumok, (gamma-fotonok) formájában adja le.
Ebben az esetben nem változik sem a rendszám, sem a tömegszám, csak az atommag energiája.

Az ábrán az 56 protonból és 81 neutronból álló Ba137 radioaktív bárium izotóp atommagjából távozó gamma foton látható.
Ekkor az izotóp tömegszáma és rendszáma változatlan marad mindössze az atommag energiája csökken.

Radioaktív sugárzások észlelése
(GM-cső, filmdoziméter, elektroszkóp, scintillációs detektorok, szilárd-test detektorok)

Az elején már említettem, hogy a radiaktív sugárzásokat semmilyen érzékszervünkkel nem tudjuk észlelni.
Műszerekkel is csak a hatásait észleljük.

Nézzük meg néhány jellemző sugárzásészlelő műszer működési elvét.

GM-cső

Az egyik legegyszerűbb és régóta használt eszköz a Geiger számláló. (A Kraftwerk együttes Radioactivitet című lemezéről ismerhetjük jellegzetes hangját.) A percenként áthaladó részecskék számát méri.
A radioaktivitás ionizáló hatása alapján működik, ezért legjobban az alfa-részecskéket érzékeli, mert azok erősen ionizálnak.

Az animáció szemlélteti működési elvét.
A csövet ritka argon gáz tölti ki. A középső vékony fém szál +400 Volt feszültségű. Amikor egy részecske lép a csőbe egy elektront szakít le egy argonatomról és ezzel "lavinát" indít el, vagyis egyetlen részecske elektron áramlást okoz, ami egy erősíthető és megszámlálható impulzust kelt.
A folyamatos kisülés megakadályozására kioltást alkalmaznak, ami lehetővé teszi, hogy a további sugárzás új kisülést hozzon létre.
Ezt azzal érik el, hogy a csőbe kioltó gázokat vezetnek. Pl. metánt kevernek az argonnal.
Nagyon érzékeny detektor.

Filmdoziméter

Egy másik elterjedt mérő eszköz a filmdoziméter (a képen).
(Biztosan mindenkiről készült már röntgen felvétel és látta a röntgenorvosok, asszisztensek köpenyén azt a kis kék műanyag valamit. Az nem kitüntetés hanem filmdoziméter.)

Becquerel 1896-ban úgy fedezte fel a radioaktivitást, hogy egy fénytől elzárt, becsomagolt fényképészeti filmre uránszurokérc darabot helyezett és a film megfeketedett, annak ellenére, hogy fény nem érhette.

A radioaktivitás hatására a fotóanyagok megfeketednek. Ez a hatás alkalmas arra, hogy a filmet ért radioaktív sugárzás mennyiségét meghatározzák.

A sugárzásnak kitett helyen dolgozók viselnek ilyen eszközt. A benne lévő filmlapkát bizonyos időközönként (általában havonta) előhívják és ebből meghatározható a dolgozót ért sugárzás mennyisége.
A fém (ólom, alumínium) lemez "ablakok" biztosítják, hogy az alfa-, béta- és gamma-sugárzás mennyisége külön értékelhető legyen.

Elektroszkóp

A száraz levegő normál esetben jó szigetelő, ezért a feltöltött elektroszkóp nem veszti el töltését, amit az aranyfüst lemez "lebegése" jelez, mivel az azonos töltések taszítják egymást.

Amikor egy radioaktív forrás kerül a töltött elektroszkóp közelébe, ionizálja a levegőt és a gázionok elvezetik a töltéseket. Ezt az arany lemezke "lekonyulása" jelzi.

Modern detektorok

A napjainkban használt korszerű sugárzás észlelő eszközök sokkal érzékenyebbek a fentebb említetteknél.

A scintillációs detektorok úgy működnek, hogy egy alkalmas szcintillátor anyagban (pl. nátrium-jodid) a sugárzás hatására keletkező apró felvillanásokat erősítik fel egy "fotonsokszorozó csővel", amely az érzékeléshez elegendő elektron mennyiséget ereményez.
A scintillációs detektorok jelentik a nukleáris erőművekben használt kézi mérő eszközök alapját. Képesek az alfa-, béta- és gamma-sugárzás között különbséget tenni, és megfelelő hangjelzést produkálnak ennek megfelelően.

A "Szilárd-test detektorok" a legkorszerűbb műszerek. Ezeket a részecskegyorsító laboratóriumokban használják, a nagy energiájú ütközések eredményeinek kimutatására, az ütközés körül felhalmozva, az eredményeket nagyteljesítményű számítógépekbe juttatják. Alapvetően a videokamerákban alkalmazott CCD szilicium-chipekhez hasonlóan működnek. (A képen egy korszerű "személyi sugárzásmérő" látható.)

Radioaktív sugárzások hatásai

A radioaktív sugárzásoknak sokféle hatása van. Ezek egy részét az érzékeléssel kapcsolatban már említettem.

Az élő szervezetre, az emberre gyakorolt hatások gyakorlatilag minden esetben károsak. Egy bizonyos mértékig azonban a szervezet elviseli, kijavítja ezeket a hatásokat. Hiszen a radioaktivitás, a sugárzás a természetes környezet része és az élőlények az évmilliárdok során "megtanultak" együtt élni ezekkel.

Az emberi test 100 ezer milliárd (10¹⁴ = 100 000 000 000 000) sejtjéből egyetlen másodperc alatt 1 millió sejt hal el, és ugyanennyi képződik. Ebbe "belefér" a sugárzás miatt károsodott sejtek "pótlása" is.

Nagyon sok elemnek vannak radioaktív izotópjai a természetben és ezek az emberi test vegyületeiben is ugyanolyan arányban fordulnak elő. A szén radioaktív izotópját (C14) már említettem.
Az emberi testben megtalálható természetes radioaktív izotópok közül azonban a kálium-40 aktivitása a legnagyobb: egy 75 kg-os ember szervezetében másodpercenként kb. 7300 darab kálium-40-es atommag bomlik.

A rövid felezési idejű kis intenzitású izotópok nem jelentenek akkora kockázatot, mint a hosszú felezési idejű kis intenzitású izotópok. Mesterségesen előállított rövid felezési idejű kis intenzitású izotópokat alkalmaznak gyógyászati, diagnosztikai célokra.
Pl. a pajzsmirigy vizsgálatára előállítható valamilyen rövid, esetleg néhány perces felezési idejű jódizotóp, ami "kirajzolja" a pajzsmirigy elhelyezkedését, méretét.

Az időegységenként azonos számú részecskét kibocsátó különböző sugárforrások nagyon különböző energiával sugározhatnak. Ezt jellemzi a gray (Gy), amely a céltárgyba érkező sugárzás energiáját, az abszorbeált dózist méri.
A különböző sugárzások különböző mértékben károsítják az élő szervezeteket, még akkor is, ha az elnyelt sugárzás energiája azonos pl. 1 Gy alfa-sugárzás hússzor annyi károsodást okoz mint 1 Gy béta-sugárzás.
A károsító hatás mértékét fejezi ki a dózisegyenérték, egysége a sievert (Sv), amely a grayben kifejezett abszorbeált dózis és a relatív biológiai hatékonyság (relative biological effectivenes, RBE) faktor szorzata.
A munkahelyeken és a környezetben megengedhető sugárzás mértékét sievertben adják meg.

Vannak rendkívül veszélyes izotópok, pl. a polónium 210-es tömegszámú izotópjának felezési ideje 136 nap, már mikrogrammnyi mennyiségben is nagyon veszélyes a szövetekben elnyelődő alfa-sugárzása miatt. A testbe kerülő megengedett polónium mennyiség legfeljebb 0.03 microcurie, ami 6,8x10^-12 gramnak felel meg. Ezért 2,5x10¹¹-szer mérgezőbb, mint a ciánhidrogén. A levegőben megengedett koncentrációja 2 x10^-11 microcurie/cm³. (A londoni "ügynökügy" - 2006 - kapcsán különösen sokat hallhattunk róla.)

Ugyanakkor nagyon alattomosak a testbe beépülő hosszú felezési idejű izotópok.
Ilyen például a stroncium-90 izotóp a maghasadás elég hosszú felezési idejű (28 év) terméke (atomrobbanáskor keletkezik).
Mivel vegyileg a kalciumhoz hasonló tulajdonságú, vegyületei ugyanúgy beépülnek a csontokba, és a vérképző szerveket állandóan érő sugárzás előbb-utóbb leukémiát okoz.

Felhasznált irodalom