Radioaktivitás

A radioaktivitás az a folyamat, amelynek során egy instabil atommag energiát veszít a sugárzás hatására. Az instabil magokat tartalmazó anyagot radioaktívnak tekintik. A bomlás három leggyakoribb típusa az alfa-bomlás (α-bomlás), a béta-bomlás (β-bomlás) és a gamma-bomlás (γ-bomlás), amelyek mindegyike egy vagy több részecske kibocsátásával jár. A gyenge erő az a mechanizmus, amely a béta-bomlásért felelős, míg a másik kettőt az elektromágnesesség és a nukleáris erő szabályozza. A közös bomlás negyedik típusa az elektronbefogás, melynek során egy instabil atommag befog egy belső elektront az egyik elektronhéjról. Ennek az elektronnak a héjról való elvesztése azt eredményezi, hogy az elektronok kaszkádja esik le az alsó héjra, ami diszkrét röntgensugárzást bocsát ki az átmenetekből. Gyakori példa az orvosi környezetben általánosan használt jód-125.

A radioaktív bomlás sztochasztikus (azaz véletlenszerű) folyamat az egyes atomok szintjén. A kvantumelmélet szerint lehetetlen megjósolni, hogy egy adott atom mikor bomlik el, függetlenül attól, hogy az atom mennyi ideje létezik. Jelentős számú azonos atom esetében azonban a teljes bomlási sebesség kifejezhető bomlási állandóként vagy felezési időként. A radioaktív atomok felezési ideje hatalmas tartományban van; a szinte azonnalitól a világegyetem koránál sokkal hosszabb ideig.

Az alfa-bomlás akkor következik be, amikor az atommag egy alfa-részecskét (héliummagot) bocsát ki.

A béta-bomlás kétféleképpen fordul elő:

  • béta-mínusz bomlás, amikor az atommag elektront és antineutrínót bocsát ki egy neutronból protonná változtató folyamat során.
  • béta-plusz bomlás, amikor az atommag egy pozitront és egy neutrínót bocsát ki egy olyan folyamat során, amely protont neutronná változtat, más néven pozitronemisszió.

A gamma-bomlás során a radioaktív atommag először egy alfa- vagy béta-részecske kibocsátásával bomlik le. Az így létrejövő leánymag általában gerjesztett állapotban marad, és gammasugár-foton kibocsátásával alacsonyabb energiájú állapotba bomlik le.

A radioaktivitást 1896-ban fedezte fel Henri Becquerel és Marie Curie, miközben foszforeszkáló anyagokkal dolgoztak. Ezek az anyagok fény hatására világítanak a sötétben, és azt gyanította, hogy a katódsugárcsövekben a röntgensugárzás által keltett ragyogás összefüggésbe hozható a foszforeszcenciával. Becquerel egy fotótányért fekete papírba csomagolt, és különféle foszforeszkáló sókat helyezett rá. Minden eredmény negatív volt, amíg uránsókat nem használt. Az uránsók a lemez feketedését okozták annak ellenére, hogy a lemezt fekete papírba csomagolták. Ezek a sugárzások a „Becquerel sugárzás” nevet kapták.

Hamar kiderült, hogy a lemez megfeketedésének semmi köze a foszforeszcenciához, mivel a feketedést az urán nem foszforeszkáló sói és a fémes urán is előidézték. Ezekből a kísérletekből világossá vált, hogy van egy olyan láthatatlan sugárzás, amely áthatol a papíron, és a lemezt úgy reagáltatja, mintha fénynek lenne kitéve.

Eleinte úgy tűnt, hogy az új sugárzás hasonló az akkor nemrég felfedezett röntgensugárzáshoz. Becquerel, Ernest Rutherford, Paul Villard, Pierre Curie, Marie Curie és mások további kutatásai kimutatták, hogy a radioaktivitás ezen formája lényegesen bonyolultabb. Rutherford volt az első, aki felismerte, hogy minden ilyen elem ugyanazon matematikai exponenciális képlet szerint bomlik. Rutherford és tanítványa, Frederick Soddy voltak az elsők, akik felismerték, hogy sok bomlási folyamat az egyik elem átalakulását a másikba eredményezi. Ezt követően Fajans és Soddy radioaktív elmozdulási törvényét fogalmazták meg az alfa- és béta-bomlás termékeinek leírására.

A korai kutatók azt is felfedezték, hogy az uránon kívül sok más kémiai elem is rendelkezik radioaktív izotópokkal. Az uránércek teljes radioaktivitásának szisztematikus kutatása Pierre-t és Marie Curie-t is két új elem, a polónium és a rádium elkülönítésére irányította. A rádium radioaktivitásának kivételével a rádium és a bárium kémiai hasonlósága megnehezítette e két elem megkülönböztetését.

Marie és Pierre Curie radioaktivitás-tanulmánya fontos tényező a tudományban és az orvostudományban. Miután a Becquerel sugarain végzett kutatásaik a rádium és a polónium felfedezéséhez vezettek, megalkották a “radioaktivitás” kifejezést, hogy meghatározzák egyes nehéz elemek ionizáló sugárzásának kibocsátását. (Később a kifejezést minden elemre általánosították.)

Az ionizáló sugárzás radioaktivitásból és röntgensugárzásból eredő veszélyeit nem ismerték fel azonnal.

Polónium

A polónium egy kémiai elem, amelynek Po szimbóluma és rendszáma 84. A polónium egy kalkogén. Egy ritka és erősen radioaktív fém, amelynek nincsenek stabil izotópjai, a polónium kémiailag hasonló a szelénhez és a tellúrhoz, bár fémes jellege hasonlít a periódusos rendszer vízszintes szomszédjaira: talliumra, ólomra és bizmutra. Valamennyi izotópjának rövid felezési ideje miatt természetes előfordulása a múló polónium-210 (138 nap felezési idővel) apró nyomaira korlátozódik az uránércekben. Napjainkban a polóniumot általában milligramm mennyiségben állítják elő a bizmut neutronos besugárzásával. Intenzív radioaktivitása miatt, amely kémiai kötések radiolízisét és radioaktív önhevülését eredményezi, kémiáját többnyire csak nyomskálán vizsgálták.

A polóniumnak kevés felhasználási területe van, és ezek a radioaktivitásához kapcsolódnak: fűtőtestek űrszondákban, antisztatikus eszközök, neutron- és alfa-részecskék forrásai, valamint méreg. Rendkívül veszélyes az emberre.

Az előzetesen “rádium F”-nek nevezett polóniumot Marie és Pierre Curie fedezte fel 1898 júliusában, miközben a szurokkeverék radioaktivitásának okát vizsgálták. Ez volt az első elem, amelyet így fedeztek fel. Marie Curie szülőföldjéről, Lengyelországról (latinul: Polonia) kapta a nevét. Lengyelország akkoriban orosz, német és osztrák-magyar felosztás alatt állt, független országként nem létezett. Curie abban reménykedett, hogy az elemnek szülőföldjéről való elnevezése nyilvánosságra hozza függetlenségének hiányát. A polónium lehet az első elnevezett elem, amely egy politikai vitára világít rá.

A szurokkeverék az urán és a tórium radioaktív elemeinek eltávolítása után radioaktívabb volt, mint az urán és a tórium együttvéve. Ez arra késztette a Curie-kat, hogy további radioaktív elemek után kutassanak. Először 1898 júliusában választották el a polóniumot a szurokkeverékből, majd öt hónappal később a rádiumot is izolálták. Willy Marckwald német tudós 1902-ben sikeresen izolált 3 milligramm polóniumot, bár akkor azt hitte, hogy ez egy új elem, amit “rádió-tellúriumnak” nevezett el, és csak 1905-ben mutatták ki, hogy ez azonos a polóniummal.

Rádium

A rádium egy Ra szimbólummal és 88-as rendszámmal ellátott kémiai elem. A periódusos rendszer 2. csoportjának , más néven alkáliföldfémeknek hatodik eleme. A tiszta rádium ezüstfehér, de levegővel érintkezve könnyen reagál nitrogénnel (nem oxigénnel), és rádium-nitridből (Ra3N2) fekete felületi réteget képez. A rádium minden izotópja radioaktív, a legstabilabb izotóp a rádium-226, felezési ideje 1600 év. A rádium bomlásakor melléktermékként ionizáló sugárzást bocsát ki, amely fluoreszcens vegyi anyagokat gerjeszthet és radiolumineszcenciát okozhat.

A rádium-klorid formájú rádiumot Marie és Pierre Curie fedezte fel 1898. december 21-én a Jáchymovból származó uraninit (szurokkeverék) mintában. Kivonták a rádiumvegyületet az uraninitből. Az ásvány korábbi tanulmányozása során Curie-k eltávolították belőle az uránt, és megállapították, hogy a megmaradt anyag még mindig radioaktív. 1898 júliusában a szurokkeverék tanulmányozása során a bizmuthoz hasonló elemet izoláltak, amelyről kiderült, hogy polónium. Ezután egy radioaktív keveréket izoláltak, amely két komponensből állt: báriumvegyületekből, amelyek ragyogó zöld lángszínt adtak, és ismeretlen radioaktív vegyületekből, amelyek korábban soha nem dokumentált kármin spektrumvonalakat adtak. Curie-k úgy találták, hogy a radioaktív vegyületek nagyon hasonlóak a báriumvegyületekhez, csak kevésbé oldódnak. Ez a felfedezés lehetővé tette a Curie-k számára, hogy elkülönítsék a radioaktív vegyületeket, és új elemet fedezzenek fel bennük. A Curie-k 1898. december 26-án jelentették be felfedezésüket a Francia Tudományos Akadémiának. A rádium elnevezése körülbelül 1899-re datálódik, a francia rádium szóból, amely a modern latinban a sugárból (sugár) keletkezett: ez a rádium kibocsátó erejének elismerése volt. energia sugarak formájában.

1910 szeptemberében Marie Curie és André-Louis Debierne bejelentették, hogy a rádiumot tiszta fémként izolálták tiszta rádium-klorid (RaCl2) oldat elektrolízisével, higanykatóddal, és így rádium-higany amalgámot állítottak elő. Ezt az amalgámot ezután hidrogéngáz atmoszférában hevítették, hogy eltávolítsák a higanyt, így tiszta rádium fém marad. Ugyanebben az évben E. Eoler izolálta a rádiumot Ra(N3)2 azidjának hőbontásával. A rádium fémet először a 20. század elején állította elő iparilag a Biraco, az Union Minière du Haut Katanga (UMHK) leányvállalata belgiumi oleni üzemében.

A radioaktivitás általános történelmi mértékegysége, a curie, az Ra radioaktivitásán alapul.

A természetben a rádium az uránban és (kisebb mértékben) a tóriumércekben található nyomokban. A rádium nem szükséges az élő szervezetek számára, és radioaktivitása és kémiai reakciókészsége miatt káros egészségügyi hatások valószínűsíthetők, ha beépülnek a biokémiai folyamatokba.

Az uránban lévő áthatoló sugarak kutatása és a rádium felfedezése elindította a rádium rák kezelésére való felhasználásának korszakát. A rádium kutatása az atomenergia első békés felhasználásának és a modern nukleáris medicina kezdetének tekinthető.

2014-től a nukleáris gyógyászatban való felhasználásán kívül a rádiumnak nincs kereskedelmi alkalmazása.

Előző cikkA röntgensugárzás felfedezése
Következő cikkA tuberkulózis kórokozójának felfedezése