280px|jobbra|bélyegkép|Az alfa-sugárzás hélium atommagokból áll, és akár egy vékony papír is elnyeli őket. A béta-sugárzás elektronsugárzás, és egy alumíniumlemez nyeli el őket. A gamma-sugárzás elnyelésére a leghatékonyabb anyag az ólom, mely megfelelő vastagság esetén teljesen elnyeli a sugárzást. 280px|jobbra|bélyegkép|Becquerel fényképlemeze
A radioaktivitás a nem stabil (úgynevezett radioaktív) atommagok bomlásának folyamata. Ez nagy energiájú ionizáló sugárzást kelt. Radioaktív sugárzás a természetben is előfordul. Mérésére részecskedetektorokat használnak.
Az elnevezés a latin radio (sugároz) és activus (cselekvő) szó összetételéből származik.
Radioaktív elemeknek nevezik azokat az elemeket, amelyeknek nincs stabil izotópjuk.
Felfedezése
A radioaktivitást 1896-ban a foszforeszkáló anyagokkal kísérletező Henri Becquerel francia tudós fedezte fel, amiért 1903-ban megkapta a fizikai Nobel-díjat. 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 (néhányszor tíz cm levegőben). 1900-ban fedezte fel Paul Ulrich Villard a gamma-sugárzást, amit 10 cm ólom sem bír elnyelni. Később bebizonyították, hogy a gamma-sugárzás valójában nagyenergiájú elektromágneses sugárzás.
Radioaktív sugárzás (bomlás) Három fontosabb fajtája van. Egyre nagyobb áthatolóképességgel: Alfa-bomlás során az atommagból egy hélium atommag (erősen kötött 2 proton és 2 neutron) válik ki. Erősen ionizáló, viszont a hatótávolsága levegőben 1 cm alatti. Béta-bomlás során az atommagban neutronból lesz proton, elektron kibocsátása közben. Így a béta-sugárzás valójában elektronsugárzás. Közepesen ionizáló hatású, hatótávolsága levegőben pár tíz cm. Gamma-bomlás során energia távozik nagy energiájú fotonként. Az előbbiek kísérőjelensége szokott lenni. Hatótávolsága légüres térben gyakorlatilag végtelen, a nagy tömegszámú elemek (általában ólom) hatékonyan gyengítik.
Az alábbi táblázat rendszerezi a három fontosabb és több további bomlásfajtát nagyjából csökkenő előfordulási valószínűség szerint rendezve. A az atom tömegszámát (protonok és neutronok együttes száma), Z pedig a rendszámot (protonok száma) jelöli.
Bomlási mód Részt vevő részecskék Leánymagok Mag gerjesztettség Bomlás magemisszióvalAlfa-bomlás Egy alfa-részecskét (A=4, Z=2) emittál a mag (A-4, Z-2)nőProtonemisszió Egy proton kilökődik a magból (A-1, Z-1)?Neutronemisszió Egy neutron kilökődik a magból (A-1, Z)?Kettős protonemisszió Egyidejűleg két proton kilökődése a magból (A-2, Z-2)Kettős neutronemisszió Egyidejűleg két neutron kilökődése a magból (A-2, Z)Spontán hasadás A kezdeti mag kettő vagy több kisebb magra, valamint részecskékre bomlik – Klaszterbomlás, nehézion-emisszió A mag kibocsát egy kis tömegű magot (A1, Z1), mely nehezebb az alfa-részecskénél (A-A1, Z-Z1) + (A1,Z1) A béta-bomlás különböző módjaiNegatív béta-bomlás A mag egy elektront és egy antineutrínót emittál (A, Z+1)Pozitronemisszió vagy pozitív béta-bomlás A mag egy pozitront és egy neutrínót emittál (A, Z-1)Elektronbefogás A mag befog egy héjelektront és kibocsát egy neutrínót – A leánymag gerjesztett, instabil állapotba kerül(A, Z-1)nőKettős béta-bomlás A mag két elektront és két antineutrínót bocsát ki (A, Z+2) nőKettős elektronbefogás A mag elnyel két héjelektront és kibocsát két neutrínót (A, Z-2) Elektronbefogás pozitronemisszióval A mag elnyel egy héjelektront és kibocsát egy pozitront és két neutrínót (A, Z-2) Kettős pozitronemisszió A mag kibocsát két pozitront és két neutrínót (A, Z-2) Átmenetek a mag két azonos összetételű állapota közöttGamma-bomlás A gerjesztett mag kibocsát egy nagy energiájú gamma-fotont (gamma-sugárzás) (A, Z)Belső konverzió A gerjesztett mag energiát ad át egy héjelektronnak, mely kilökődik az atomból (A, Z)
Aktivitás
Egy adott radioaktív forrás aktivitása megmondja, hogy hány bomlás történik másodpercenként. Mértékegysége a Bq (Henri Becquerel tiszteletére), 1 Bq másodpercenként egy bomlásnak felel meg. Régebbi mértékegység a Ci (Curie), 1 Ci egy gramm rádium aktivitásának felel meg (3,7·1010 Bq). A radioaktív bomlás teljesen véletlen jelenség, egy adott atommagról nem lehet megállapítani, hogy mikor fog elbomlani, viszont az elbomlásának időbeni valószínűsége állandó. Egy forrásban a bomlások száma tehát arányos a radioaktív magok számával, amit a következőképp írhatunk föl:
Ezt integrálva kapjuk a bomlási törvényt:
Látható, hogy a radioaktív magok száma exponenciálisan csökken. A λ a bomlásállandó: megadja, hogy mekkora valószínűséggel bomlik el egy atommag egy másodperc alatt. Többet használják viszont a T1/2 felezési időt: ez megadja, hogy mennyi idő alatt bomlik el az összes radioaktív mag fele. A bomlásállandóból a következőképp lehet kifejezni:
Ha ismerjük egy izotóp felezési idejét, akkor egy adott forrás A aktivitása könnyen meghatározható:
Radioaktív atommagok elsődleges természetes radionuklidok (1) olyan természetes radioaktív magok, amelyek megtalálhatóak a Naprendszer keletkezése óta felezési idejük nagyon hosszú 26 ilyen mag ismert. Például: 238U ( T=4,47·109 év ), 40K ( T=1,28·109 év ), 87Rb ( T=4,8·1010 év ) másodlagos természetes radionuklidok (2) Olyan magok, amelyek (1) bomlása révén keletkeznek Felezési idejük nagyon rövid, a Naprendszer keletkezése óta nem találhatóak meg 38 ilyen mag ismert. Például: 226Ra (T=1600 év), 234Th (T=24,1 nap) Indukált természetes radionuklidok (3) állandóan keletkeznek a kozmikus sugárzás hatására 10 ilyen mag ismert. Például: 3H (T=12,3 év), 14C (T=5730 év) mesterséges radionuklidok (4) emberi tevékenység során keletkeztek, a természetben nincsenek számottevően jelen 2000 ilyen mag ismert 60Co, 137Cs, 24Na
Legfontosabb radioaktív izotóp elemek bomlás szerint
Amerícium 241Am Antimon 125Sb Cézium 134Cs, 135Cs , 137Cs Jód 129I, 131I , 133I Klór 36Cl Kobalt 60Co Kripton 85Kr , 89mn Kűrium 242Cm , 244Cm Plutónium 239Pu , 241Pu
Radon 222Rn Rádium 226Ra , 228Ra Ruténium 106Ru Stroncium 90Sr Szelén 75Se Szén 14C Tórium 232Th Trícium 3H Urán 235U , 238U
A periódusos rendszer radioaktív elemei A periódusos rendszerben jelenleg 118 elemet ismerünk. Ebből 37 elemnek nincs stabil izotópja. Ezek az alábbi elemek:
technécium prométium bizmut polónium asztácium radon francium rádium aktínium tórium protaktínium urán
neptúnium plutónium amerícium kűrium berkélium kalifornium einsteinium fermium mendelévium nobélium laurencium raderfordium
dubnium sziborgium bohrium hasszium meitnérium darmstadtium röntgénium kopernícium nihónium fleróvium moszkóvium livermórium oganeszon
Biológiai hatásai
jobbra|bélyegkép|150px|A radioaktív anyagok jele.
A fizikai hatást az ionizáció váltja ki, ami az elektronokra hat. Az elektronszerkezet megváltozása kémiai hatásként megváltoztatja a molekulákat, amelyek megváltozva a vegyületekben másképpen hatnak a sejtekre. Ez a biológiai változás hat a szövetekre, a belőlük felépülő szervekre, így az emberre is.
A sugárzási energia egyik hatása a DNS lánchasadása. Két változata van: a közvetlen és a közvetett. A közvetlen: a radioaktív részecske a DNS valamelyik atomjával ütközik, megváltoztatva az ezt tartalmazó nukleobázis kémiai szerkezetét, ami miatt a DNS hosszú lánca megszakad, illetve a gén szerkezete torzul. A közvetett: az eltalált atom ionizációja szabad gyököket hoz létre a sejtmagban, és ezek kémiai reakcióval változtatják meg a nukleobázist, roncsolva a DNS-t. (Az összes radioaktív sugárzás okozta DNS károsodás háromnegyede ilyen típusú.) Ha a sejt nem pusztul el, akkor a keletkezett hibát helyrehozhatja javító enzimekkel. Ha ez sikertelen, akkor az okozott mutáció vagy életképtelen és így elpusztuló, vagy megváltozott örökítő anyagú utódsejteket eredményez.
Egy-két sejt pusztulása nem okoz észlelhető kárt, de ha sok sejt pusztul el egyszerre, akkor az már károsan hat az adott szövet működésére, adott esetben teljesen leáll és/vagy elhalhat. Ilyen hatáshoz csak nagy dózis vezethet, amit determinisztikus hatásnak nevezünk. Következménye lehet a különböző fontos biológiai hatóanyagok pl. enzimek, vitaminok aktivitásának a csökkenése, vagy inaktiválódása, súlyosabb esetben különböző káros, esetleg halálos mutációk.
Néhány DNS-károsodás nem érint kódoló szakaszt, vagy csak inaktív marad további sugárzásig. A károsodás ilyenkor csak az utódokban jelenik meg.
Hogy a sugárzás biológiai hatásait objektíven felmérhessük, megfelelő fizikai mennyiségeket kell definiálni. Így vezették be a dózist, ami a sugárzásból 1 kg anyag által elnyelt energia mennyisége. Mértékegysége a gray (1 Gy = 1 J/kg). A régi, már hatályon kívül helyezett mértékegység a rad (1 rad = 0,01 Gy).
Kísérletileg igazolt tény, hogy a radioaktív sugárzás hatása élő szervezetekre nagymértékben függ a fajtájától és az energiájától. Adott energiájú alfa-részecske több kárt okoz, mint egy ugyanakkora energiájú elektron, vagy egy foton. A különbség a lineáris energiaveszteség (dE/dx) különbözőségében rejlik. Például egy alfa-részecske az energiáját fémben 1 mikrométer alatt adja le, míg ehhez egy gamma-fotonnak akár több centiméterre is szüksége lehet. Emiatt minden fajta sugárzáshoz egy koefficienst rendelünk – a biológiai hatásosságot (RBE – Relative Biological Effectivity). A dózis és a biológiai hatásosság szorzata az ekvivalens dózis, aminek a mértékegysége a sievert (Sv).
A radioaktív sugárzás hatása azonban az érintett szerv típusától is függ. Minden szervhez egy koefficiens tartozik, ami nem függ a sugárzás fajtájától és energiájától. Így az effektív dózis egy adott szervre egyenlő az ekvivalens dózis és a szerv koefficiensének szorzatával.
Egy embert Magyarországon átlagosan évi 3,1 (más forrás szerint 2) mSv természetes eredetű dózis ér, ami a levegőben lévő radonból és a kozmikus sugárzásból ered. Ehhez adódnak például a röntgenvizsgálatok hatásai. A nem természetes forrásból származó sugárzás megengedett lakossági effektív dózisa az érzékeny belső szervekre 1 mSv/év, de a végtagoknál és a bőrfelületet kívülről érő sugárzásnál ez a határ 50 mSv/évre emelhető. Sugárzó anyagokkal dolgozóknál a hosszútávú megengedett dózishatár 20 mSv/év, rövidebb távon 50 mSv/év, végtagoknál és bőrnél 500 mSv/év.Varga József: Orvosi - biológiai izotóplaboratóriumok sugárvédelme (tankonyvtar.hu)
A bomlási sorok