Röntgen-sugár és gamma-sugár

Leírás

Röntgen-sugár és gamma-sugár. Alapfokú sugárvédelmi ismeretek.

α-(alfa)bomlás

Az anyaelem egy hélium atommagot bocsát ki, amelynek a tömegszáma négy, a rendszáma kettő, és kétszeres pozitív töltéssel rendelkezik. Ez a fajta átalakulás a nagy tömegszámú elemekre jellemző.

Az α-részecske az anyaggal háromféleképpen lép kölcsönhatásba. Kétszeres pozitív töltése miatt képes a közelébe kerülő atomok elektronjait a magtól távolabb eső, nagyobb energiájú pályákra kényszeríteni, ilyenkor gerjesztésről beszélünk. Amennyiben az elektronokat el is lopja, akkor mivel az eredeti atomból pozitív ion keletkezik, ionizációról beszélünk. Ritkábban az α-részecske az atommaggal is képes kölcsönhatásba lépni. Ilyenkor a mag az α-részecskét befogja, gerjesztett állapotba kerül, majd fölös energiájától megszabadul vagy egy újabb α-részecske kibocsátásával, vagy γ-sugárzás formájában.

Az α-sugárzás jellemzője a nagy ionizáló hatás, és ebből következően a rövid hatótávolság. Levegőben néhány centiméter megtétele után elnyelődik.

Röntgen sugárzás:

 

β-bomlás

A β-bomlásnak két fajtája van: a negatív és a pozitív.

A negatívnál egy neutron protonná alakul azáltal, hogy kibocsát magából egy elektront. Ez az elektron mint β-részecske távozik a magból. Az átalakulás során az elem tömegszáma nem változik, csak a rendszám nő eggyel. Ez a fajta átalakulás a neutron felesleggel rendelkező elemekre jellemző.

A pozitív bomlásnál egy proton bocsát ki magából pozitront és így alakul neutronná. (A pozitron tulajdonságaiban azonos az elektronnal azzal a különbséggel, hogy pozitív a töltése.) A bomlás során a tömegszám változatlan, a rendszám eggyel csökken. Ez a fajta átalakulás a protonfelesleggel rendelkező elemekre jellemző.

A β-sugárzás mindkét változata ionizál. A pozitron rövid úton egy elektront szakít magának és azzal egyesülve energiává alakul ezt megsemmisülési sugárzásnak nevezzük. Az elektron az atomok között mozogva azok elektronjaival való véletlenszerű „ütközések” során annyi energiát ad át, amely elég ahhoz, hogy az atomból elektronok szakadjanak ki. Gyakran a β-részecske (elektron) kevesebb energiát ad át az atom körül keringő elektronoknak, mint amennyi ahhoz kell, hogy azok kiszakadjanak, ilyenkor az atom gerjesztett állapotba kerül azáltal, hogy a többlet energiával rendelkező elektronja egy nagyobb energiájú külső elektronhéjra kerül. Ezt nevezzük gerjesztésnek. Ettől a többlet energiától aztán a gerjesztett elektron karakterisztikus röntgensugárzás formájában szabadul meg. Azért nevezik karakterisztikusnak, mert bármely két elektronpálya között pontosan tudjuk, mekkora az energia különbség, és a kibocsátott röntgensugárzás annyi energiát hordoz, amennyi a különbség a gerjesztett elektron két pályája között. A β-részecske az atomok között mozogva folyamatosan fékeződik, és eközben amennyivel csökken az energiája, azt fékezési röntgensugárzás formájában bocsátja ki a környezetébe. Mindkét fajta röntgensugárzás elektromágneses sugárzás. A fékezési röntgen sugárzás energia tartalma nem határozható meg olyan pontosan, mint a karakterisztikusé. A β-sugárzás ionizációs készsége kisebb, mint az alfa-sugárzásé. Ebből adódóan az áthatoló képessége nagyobb, levegőben energiától függően néhány centimétertől 10-15 méterig. A testszövetben néhány milliméter a hatótávolsága. Orvosi gyakorlatban terápiás és fájdalomcsillapítás céljából alkalmazzák. Jelentős kiemelnünk még itt a röntgensugárzás ipari jelentőségét is. Fontos tudnunk még azt is, hogy a reaktor hasadvány termékei is zömében bétasugárzó izotópok.

 

Izotópos sugárzás:

Izotóp: Egy adott elem különböző tömegszámú változatai.

Az izotópokat két csoportra szokás bontani: stabil, és instabil izotópokra. A stabil izotópokkal sugárvédelmi szempontból nincs probléma. Az instabil izotópok stabil állapotba törekednek, ennek során radioaktív átalakulásokon mennek át, amelynek következtében sugárzást bocsátanak ki. Logikusan felvetődik, hogy mi okozza az instabilitást. A válasz az atommag alkotórészei között fellépő erők vizsgálatával kapjuk.

Az atommagban fellépő erők:

- gravitációs erő (hatása gyakorlatilag elhanyagolható)

- coulomb erő

- magerő

A gravitációs erő bármely két test között fellépő vonzó erő, amelynek nagysága függ a testek tömegétől és a köztük lévő távolság négyzetétől. Az atommagon belül azt mondhatjuk, hogy egy viszonylag nagy hatótávolságú, de gyenge vonzást kifejtő erő.

A coulomb erő a töltéssel rendelkező testek között hat, az azonos töltések esetén taszít a különbözőek esetén, pedig vonz. Nagysága függ a két töltés nagyságától és a közöttük lévő távolság négyzetétől. Az atommagban a protonok közt erős taszító és viszonylag nagy hatótávolságú erő.

A magerő bármely két szomszédos nukleon között fellépő kis hatótávolságú erős vonzó hatás. Stabil atommagban a fenti erők egymással egyensúlyban vannak. Ha az erők egyensúlya megbomlik, az atommag instabillá válik. Ilyenkor a mag szabadulni próbál a fölösleges energiától sugárzás kibocsátása révén és így kerül egy stabilabb állapotba. Ezt a folyamatot nevezzük radioaktivitásnak.

Radioaktív bomlás: Az a spontán folyamat, amely során az instabil izotóp energia, részecske, vagy mindkettő kibocsátása során stabilabb állapotba kerül. A radioaktív bomlást nagysága alapján az aktivitással jellemezzük.

Aktivitás: az egységnyi idő alatt végbement bomlások száma. Jele: A; mértékegysége: (1/s), másképp (1Bq) /Becquerel/; számítása: A= bomlás/idő.

Egy radioaktív izotópot az aktivitásával és a felezési idejével szoktunk jellemezni.

Felezési idő: az az időtartam, amely alatt egy radioaktív anyag aktivitása a felére csökken. Egy radioaktív anyagot tekintve azt tapasztalhatjuk, hogy a radioaktív magok száma folyamatosan csökken. Azaz a kiindulási aktivitás folyamatosan csökken (az idő függvényében exponenciálisan).

A gamma-sugárzás nagyfrekvenciájú elektromágneses hullámokból (10¹⁹ Hz, 30-50 keV felett, illetve 20-30 pikométer hullámhossz alatt) álló sugárzás, mely a gerjesztett atommagok alacsonyabban fekvő állapotba történő átmenetekor, az úgynevezett gamma-bomláskor is keletkezik. Ez a bomlás sok esetben kíséri az alfa- és béta-bomlást, valamint a magreakciókat.

Jelentkezik egy bizonyos átfedés a röntgen- és a gamma-sugarak között: a röntgensugarak egészen a 60-80 keV-os tartományig terjedhetnek.

γ-sugárzás Az instabil mag fölös energiájától elektromágneses sugárzás formájában szabadul meg, ezt gammasugárzásnak nevezzük. A gammasugárzás nagyon hasonló a röntgensugárzáshoz, csak egyrészt nagyobb az energiája, másrészt az atommagban keletkezik, míg a röntgensugárzás az elektronhéjakon, vagy még kijjebb. A gammasugárzás energiájától függően a következő négyféle kölcsönhatásra képes az anyaggal.

Fotoeffektus: a kis energiájú gammasugárzás az atom belső elektronhéján keringő elektronnak adja át az energiáját, és ezáltal megszűnik. Az energiát kapó elektron kiszakad az atommag vonzásából és távozik, így egy pozitív ion marad hátra.

Compton-szórás: a közepes energiájú gammasugárzás a külső elektronhéjon lévő lazán kötött elektronoknak adja át energiájának egy részét. A kölcsönhatás következményeként egyrészt az elektron kiszakad az atomból, másrészt létrejön egy „szóródott” gammasugárzás, melynek az energiája kisebb, és az iránya is más, mint az érkezőé volt.

Párkeltés: a nagy energiával rendelkező gamma részecskék az atommagok közelében egy elektron és pozitron párrá alakulnak. Az atommag nem vesz részt az átalakulásban, csak katalizálja azt.

Magfotoeffektus: nagyon nagy energiával rendelkező gammasugárzás az atommagban hal el. Energiájával gerjeszti a magot, aminek következménye neutron, vagy ritkább esetben proton kibocsátás.

 

A röntgensugárzás (0,1nm alatti hullámhosszú) és a gamma-sugárzás részben átfedi egymást. Valójában az elnevezésben a sugárzás forrása számít, nem a hullámhossza: a röntgensugárzást nagy energiájú elektronfolyamatok hozzák létre, a gammasugárzás pedig atommag-átalakulások során jön létre.