ea08atommag

AZ ATOMMAG SZERKEZETE,

RADIOAKTIVITS, ATOMENERGIA

atom = atommag + elektronok

atommag = protonok + neutronok

Tudomnyos vizsglat: ltalban a magfizikban s nem a kmia rszeknt

Jelentsg: nukleris fegyverek, nukleris energia, radioaktv nyomjelzs a gygyszatban, radioaktivitson alapul kormeghatrozs

felfedezte: J. J. Thompson, 1897

RENDSZM (Z) =

Az atommagban lv protonok szma =

Az atommag krl lv elektronok szma

TMEGSZM (A) =

Protonok szma (Z) + Neutronok szma (N)

IZOTPOK = azonos rendszm, de klnbz tmegszm atomok

EMLKEZTET!

12-szn C126

tmegszm

rendszm

vegyjel

Becquerel: a radioaktivits felfedezse

urnszurokrc vizsglata

1896 mrcius: urntartalm anyagok nyomot hagynak a fotlemezen

a jelensg rendszeres vizsglata

Antoine Henry Becquerel

(1852-1908)

foszforeszcencia s lumineszcencia vizsglata

Becquerel felfedezse

Az urnrcek olyan sugrzst bocstanak ki, amely megfeketti a fotlemezt.

A radioaktivits felfedezse Pierre s Marie Curie

Pierre Curie (1859-1906)

Marie Curie-Sklodowska

(1867-1934)

az urnszurokrc tudomnyos igny vizsglata

a radioaktivits fogalmnak bevezetse

a Ra s Po felfedezse jval radioaktvabbak az urnnl

hrom sugrzsfajta felfedezse

A radioaktv bomlskor keletkez gzok (emanci) felfedezse

Rutherford szrsi ksrlete (1911)

Ernest Rutherford

(18711937)

Rutherford szrsi ksrlete (1911)

Az atommag nagyon kicsi, sugara nagyjbl az atom sugarnak 1/100000-ed rsze.

MAGREAKCIK

Egy magreakciban megvltozik legalbb egy atom atommagja, ltalban j elem keletkezik.

Ugyanazon elem klnbz izotpjai kmiai reakcikban ltalban nagyon hasonlan viselkednek, magreakcikban viszont egszen msknt.

A magreakcik sebessgre a hmrsklet, a nyoms vagy ms anyagok (kataliztor) jelenlte nincsen hatssal.

Egy izotp magreakcii ltalban fggetlenek attl, hogy milyen formban (kmiai ktsben) van jelen.

A magreakcik energiavltozsa sokkal nagyobb, mint a kmiai reakcik.

H O He N 1117

8

4

2

14

7 a magreakci egyenlete

nuklidok

Radioaktivits

Radioaktv bomls: spontn magreakci egyetlen atommag rszvtelvel. Mindig sugrzs ksri.

alfa()-sugrzs: pozitv tlts, nehz rszecskk 4He2+ ionok (hlium-4 atommagok)

bta()-sugrzs: negatv tlts, knny rszecskk elektronok

gamma()-sugrzs: semleges rszecskk nagyon nagy energij elektromgneses sugrzs (fny)

Radioaktv bomlsok tpusai

-bomls: -rszecske kilpse az atommagbl, - s rendszerint -sugrzs

-bomls: elektron kibocstsa az atommagbl gy, hogy egy neutron kzben protonn alakul - s rendszerint -sugrzs

He Th U 42234

90

238

92

He E' E :alak ltalnos 424

2

A

Z

A

Z

e Xe I 13154131

53

e E' E :alak ltalnos 1A

Z

A

Z


+-bomls: pozitron (e+, elektronra hasonlt, de pozitv tlts rszecske) kibocstsa az atommagbl gy, hogy kzben egy proton neutronn alakul rendszerint csak -sugrzs

elektronbefogs: az elektronfelhben lv egy elektron befogsa az atommagban rendszerint csak -sugrzs

e Ar K 401840

19

e E' E :alak ltalnos 1A

Z

A

Z

Au e Hg 19779197

80

E' e E :alak ltalnos 1A

Z

A

Z


izomer talakuls: energiavltozs az atommagon bell az sszettel detektlhat megvltozsa nlkl csak -sugrzs Tc Tc 9943

99

43 m

E' E :alak ltalnos AZA

Z m

m: metastabil atommag, gerjesztett

atommag nagy energival

A RADIOAKTV BOMLS KINETIKJA

elsrend folyamat: a bomlsi sebessg egyenesen arnyos a jelen lv radioaktv nuklidok szmval

Sebessg = k N

k: bomlsi lland N: a nuklidok szma

ktN

N

eNN

t

kt

t

0

0

ln

exponenclis alak

logaritmikus alak

kkt

693,02ln felezsi id (t):

Id (s)

N

Id (s)

ln N

/N0

meredeksg = k

exponencilis grbe

exponencilis alak logaritmikus alak

EMLKEZTET !!

(t)

Radioaktv felezsi idk Az izotp neve vegyjel bomls felezsi id

Trcium 3H 12,3 v

Hlium-8 8He 0,12 s

szn-14 14C 5730 v

Foszfor-32 32P 14,3 nap

Klium-40 40K + 1,3 109 v

Kobalt-60 60Co 5,3 v

Techncium-99m 99mTc i.d. 6,0 ra

Jd-123 123I e.c. 13,3 ra

Urn-235 235U 7,0 108 v

Darmstadtium-266 266Ds 3 106 s

RADIOAKTV BOMLSI SOROK

Egy radioaktv bomls termke is lehet radioaktv

238U 234Th 234Pa 234U 230Th 226Ra

222Rn 218Po 214Pb 214Bi 214Po

210Pb 210Bi 210Po 206Pb

Az els bomls felezsi ideje nagyon hossz ezek az izotpok elfordulnak a termszetben

Hasonl bomlsi sorok: 235U ... 207Pb

232Th ... 208Pb

AZ ELEMEK RADIOAKTIVITSA

Minden elemnek van legalbb egy radioaktv izotpja (de ez nem felttlenl fordul el a termszetben)

stabil izotp = radioaktivits nem mutathat ki

a 61Pm-nak s a 43Tc-nak nincsenek stabil izotpjai

A 82Pb utni elemeknek nincsenek stabil izotpjai, de nhny radioaktv izotp felezsi ideje nagyon hossz

209Bi t = 1,3 1019 v nagyon nehz kimutatni!

238U t = 4,5 109 v

ATOMMAGOK STABILITSA

Stabil izotpok:

kis rendszmok a neutronszm kzel van a

protonszmhoz pl.

nagy rendszmok fokozatosan nvekv

neutronfelesleg pl.

a pros neutron- s protonszm kedvez

nhny nagy, pros rendszm elem sok izotp

keverkeknt fordul el pl. 50Sn 10 stabil izotp,

54Xe 9 stabil izotp

CaNa, ,F ,O N,C, 402023

11

19

9

16

8

14

7

12

6

Pb ,Tm ,Xe As,Mn, 20882169

69

132

54

75

33

55

25

RADIOAKTV IZOTPOK

Mirt fordulnak el radioaktv izotpok a termszetben?

1. nagyon hossz felezsi id 40K 1,9 109 v

238U 4,5 109 v

a Fld becslt kora 5 109 v

a vilgegyetem becslt kora 1,5 1010 v

Mirt van rdium is a termszetben?

a legnagyobb felezsi idej izotp a 226Ra,

erre t = 1,6 103 v

2. folyamatosan keletkezik a 238U bomlsi sorban

Rvid felezsi idej izotpok ms termszetes forrsa:

nem spontn magreakcik a nagy energij kozmikus sugrzs hatsra

3H t = 12,3 v

14C t = 5730 v H C n N1

1

14

6

14

7

H C n N 3112

6

14

7

Kicsiny stacionrius koncentrci alakul ki a lgkrben a folyamatos keletkezs s bomls egyenslyaknt.

radioaktv kormeghatrozs

Kulcsfogalmak

magkmia = nuclear chemistry nuklid = nuclide

magreakci = nuclear reaction radioaktivits = radioactivity

radioaktv bomls = radioactive decay

Rutherford szrsi ksrlete = Rutherford scattering experiment

alfa-sugrzs = alpha radiaton bta-sugrzs = beta radiation

gamma-sugrzs = gamma radiation

radioaktv bomlsi sor = radioactive decay series

stabilitsi sv = band of stability kormeghatrozs = dating

elektronbefogs = electron capture

anyaelem = parent isotope lenyelem = daughter isotope

izomer talakuls = isomeric decay

Radiokarbon kormeghatrozs

Prof. Willard Libby, 1940-es vek

1960 kmiai Nobel-dj

14C

t = 5730 40 v

lland, igen kicsi 14C-koncentrci a lgkrben

(Cambridge t)

t = 5568 30 v (Libby t)

Willard Frank Libby

(1908-1980)


radioaktv bomls:

14C 14N + e

n(14C) = n0elt

n(14C) mrhet, n0 s l ismert t szmolhat

n(14C) mrse:

radioaktivits: csekly mrtk, nem rzkeny

tmegspektrometria: rzkenyebb

AMS: Accelerator Mass Spectrometry


1 mg 5000 ves szn: kb. 20 milli 14C atom

tlagosan 3,5 rnknt 1 bomls!!!!

AMS-sel fels hatr: kb. 50000 v

anyag radioaktivits-mrs AMS

fa, faszn 8-12 g 5-10 mg

karbontok 35 g 15 mg

csont 100-200 g 1 g

Szksges mintamennyisg:

a kozmikus sugrzs neutronkomponense nem volt lland az elmlt nhny tzezer vben

naptri v radiokarbon v

kalibrci szksges dendrokronolgia 11000 vig

ms radioaktv kormeghatrozs (U-alap) korallokra

C. S. M. Turney et al. Nature 443, E3 (2006).

Kzelmlt (utbbi nhny szz v) a lgkri atomrobbantsok hatsa

)standard%(C

)standard%(C)minta%(C C

14

141414

Rvid idtv kormeghatrozs lehetsge

K. L. Spalding et al. Nature 437, 333 (2005).

Emberi kor: fogzomnc

Torini lepel: Szent Jnos szkesegyhz, Torin

1988: 10 70

mm-es minta

AMS kormeg-

hatrozs

Zrich, Tucson

i.sz. 12901360

els emlts trtnelmi dokumen-

tumokban:

1353

A szent keresztnek sok-sok ms darabjt lttam n

mr sok ms templomban. Ha mindegyik igazi volna,

Krisztus urunkat nem kt, keresztbe tett gerendra,

hanem egy egsz erdre fesztettk volna fel.

Baskerville-i Vilmos

Umberto Eco: A rzsa neve

Valamikor rg, a klni szkesegyhzban lttam n

Keresztel Szent Jnos tizenkt ves kori koponyjt

is.

Kormeghatrozs az urn bomlsi sorval

nem 238U (t = 4,5 millird v) !!!

238U 234Th 234Pa 234U

234U: a termszetes U 0,0055 %-a, t = 245000 v

230Th: t = 75400 v (232Th: t = 14 millird v)

24 nap 36 nap

radioaktv egyensly

lU238NU238 = lTh234NTh234 = lPa234NPa234 = lU234NU234 =

lTh230NTh230 = ........

az egyenslybells sebessgt a megfelel lenyelem felezsi ideje hatrozza meg

Kormeghatrozs az urn bomlsi sorval

CaCO3 kpzdse l szervezetekben: az oldhat U

bepl, az oldhatatlan Th, Pa nem jrakezddik a

radioaktv egyensly bellsa

mrs: 230Th/234U arny

)1(U

ThTh230

Th230

U234

234

230te l

l

l

Ugyanilyen elven a 235U bomlsi sorbl

231Pa t = 32500 v 235U t = 704 milli v

gyakorlati alkalmazs: 100 500000 v

Klium-argon kormeghatrozs

Kliumtartalm kzetek (pl. hamu): vulkanikus

folyamatokban kpzdnek, Ar bezrsa nlkl

40K 40Ar t = 1,3 millird v 40K: 0,01 % (ma)

)1(K

ArK40

39

40teC l

Alkalmazs: kb. 500000 vnl nagyobb korok

AZ ATOMMAG KTSI ENERGIJA

A 4He atom tmege: 4,00260 amu

4He: 2 proton + 2 neutron + 2 elektron

2 proton tmege: 2 1,00728 = 2,01456 amu

2 neutron tmege: 2 1,00866 = 2,01732 amu

2 elektron tmege: 2 0,00055 = 0,00110 amu

m = 0,03038 amu TMEGHINY

minden atommagra rvnyes

4,03298 amu

AZ ATOMMAG KTSI ENERGIJA

E = mc2 Einstein-egyenlet (c: fnysebessg)

az atommag ktsi energija

c = 3,00 108 ms1

E = 2,73 1012 Jmol1 = 2,73 109 kJmol1 a 4He-ra

Enukleon = E/A

egy nukleonra jut tlagos ktsi energia

gyakran hasznlt energiaegysgek

1 eV = 1 elektronVolt = 1,602 1019 J (= 96,5 kJ/mol)

1 MeV = 1 MegaelektronVolt = 1,602 1013 J (= 9,65 107 kJ/mol)

maghasads

magegyesls

a maghasads s a magegyesls is termelhet energit

Maghasads (fisszi)

egy atommag kt rszre szakadsa neutron hatsra

energia sok 3nKr Ba n U 913614256

23592

hasadsi lncreakci

A maghasads felhasznlsa:

szablyozatlan lncreakci: nagy robbans, els genercis atomfegyverek

szablyozott lncreakci: atomreaktorok

I. nagy problma: a 235U csak a termszetes urn 0,7 %-a, dstani kell

a 239Pu, 241Pu szintn hasadkpes nem fordulnak el a termszetben, atomreaktorokban elllthatk

II. nagy problma: a maghasads termkei kztt sok a hossz lettartam radioaktv izotp (nukleris hulladk)

Oklo-jelensg: termszetes atomreaktor Gabonban, Oklo kzelben

Atomreaktor 1. Hasadanyag 2. Modertor

3. Htkzeg 4. Szablyoz rudak

Atombomba

Hasadanyag:

U-235: termszetes urn dstsa (fegyvermdszer)

Pu-239: atomreaktorban U-

238-bl neutronbefogssal (implzis mdszer)

U-233: elvi lehetsg, atomreaktorban Th-232-bl neurtonbefogssal

legnagyobb atombomba: USA

Ivy King 500 kt

Atombomba-trtnet

1939. janur 6.: a maghasads jelensgnek els publiklsa

1939. aug. 2.: Albert Einstein levele Roosevelt-nek

(Szilrd Le s Teller Ede jelents szerepe) Manhattan-program

1942. december 2.: els atomreaktor, Chicago, Enrico Fermi s Szilrd Le

1945. jlius 16.: els atomrobbants, j-Mexik

1945. augusztus 6.-9.: atomfegyver bevetse Japnban

Hiroshima: 1945. augusztus 6.

Enola Gay s Little boy (13kt)

Hiroshima: tmads utn

Nagasaki: 1945. augusztus 9.

Fat man (21kt)

Magfzi (magegyesls):

kisebb rendszm atommagokbl nehezebb atommagok kpzdse

1H + 1H 2H + e

1H + 2H 3He

3He + 3He 4He + 2 1H

3He + 1H 4He + e

sszessgben: 4 1H 4He + 2 e

Jelentsg:

a csillagok energiatermel folyamata

sokkal hatkonyabb atomfegyverek (hidrognbomba)

energiatermelsre jelenleg nem alkalmas (TOKAMAK, nem keletkezik nukleris hulladk)

Hidrognbomba

termonukleris fegyver

Hrom fzis:

1. implzis atombomba

2. 2D/3T fzi

3. U-238 fisszi

1951 USA: Teller Ede s Stanislaw Ulam

1955 Szovjetuni: Andrej Szaharov

Crbomba

a valaha ksztett legnagyobb robbanerej bomba

eredeti terv: 100 Mt megvalsts: 50 Mt

mret: 8 m hossz, 2 m tmrj, 27 t tmeg

hborbeli hasznlathoz knyelmetlenl nagy

trtnelmi httr:

az els Berlini Fal 1961 augusztusban

Crbomba

Tu-95: a legnagyobb szojvet bombz 1961-ben

Crbomba

teszt: 1961. oktber 30., Novaja Zemlja

gombafelh:

60 km magas

30-40 km szles

tzgoly:

Scotlands secret bunker

Nukleris hbor idejre tervezett vhely llami vezetknek Skcia dli rszn

3 m betonfal

az egyik legnagyobb ilyen

vhely Nagy-Britanniban

befogadkpessg: 300 ember

termszetes hmrsklet: 18 C

kommunikcis kzpont

Scotlands secret bunker

150 m-es bejrati alagt , a felsznen egyszer hznak lczva

RADIOAKTV VILGBAN LNK

Ionkpz hats 'ionizl sugrzs'

1. Detektls: Geiger-Mller szmllk vagy szcintillcis

berendezsek

2. A radioaktivits TERMSZETES (!!!) jelensg:

mindig van nem emberi eredet httrsugrzs

3. biolgiai hatsok: l szvetek kzvetlen krostsa,

klnbz daganatos betegsgek nvekv kockzata

rzkenyen fgg a dzistl (sugrzsmennyisgtl)

Mrtkegysgek

Unit quantity description

Becquerel (Bq) aktivits (SI) 1 bomls/s

Curie (Ci) aktivits = 3,7 1010 Bq

Gray (Gy) elnyelt dzis (SI) 1 J/kg

Rad elnyelt dzis = 0,01 Gy

Sievert (Sv) dzisegyenrtk (SI) = q Gy

Rem dzisegyenrtk = 0,01 Sv

q: dimenzimentes lland, amely kizrlag a sugrzs fajtjtl fgg (, , , n, ...)

Id Dzis

200 rad 500 rad 1000 rad

1. nap melygs, hnys, fehr vrsejtek szmnak cskkense

1-3.

ht tvgytalansg, gyengesg, spadtsg, hajhulls

tvgytalansg, gyengesg, spadtsg, vrzkenysg, sorvads hajhulls

melygs, hnys, hasmens, lz, kiszrads, sovnyods, elhallozs

4. ht s utna

felpls kezdete, esetleges ksbbi (utdokat is rint) kvetkezmnyekkel

50% valszn-sggel elhallozs

Sugrzs Biolgiai hatsok Radioaktv izotpok alkalmazsai 1. Kormeghatrozs:

2. Diagnosztika: 99mTc

99Ru (t1/2 = 10

5 v)

99Tc (t1/2 = 6 ra)

TcMoMom9943

)h66(9942

n9842

3. Sugrterpia: kls - bels

99mTc

4. ltalnos alkalmazs: nyomjelzs: Hevesy Gyrgy Nobel-dj: 1943

Kulcsfogalmak

radiokarbon kormeghatrozs = radiocarbon dating

kalibrci = calibration szablyozrd = control rod

tmegspektrometria = mass spectrometry

naptri v = calendar year radiokarbon v = radiocarbon year

radioaktv egyensly = radioactive equilibrium

az atommag ktsi energija = binding energy of the nucleus

magegyesls = fusion maghasads = fission

atombomba = atomic bomb (nuclear bomb)

hidrognbomba = hydrogen bomb implzi = implosion

atomreaktor = nuclear reactor modertor = moderator

dzis = dose aktivits = activity dsts = enrichment

GeigerMller szmll = Geiger counter

ea08atommag

Documents