Amikor az atommag változik
Az előző részekben az atom felépítését, majd az elektronok elrendeződését és annak következményeit vizsgáltuk. Most az atommaggal foglalkozunk: egyes atommagok külső beavatkozás nélkül átalakulnak, és közben sugárzást bocsátanak ki.
Mi a radioaktív bomlás?
A radioaktív bomlás instabil atommag spontán átalakulása. Új atommag vagy ugyanannak az atommagnak kisebb energiájú állapota keletkezhet. A folyamatot részecske vagy elektromágneses sugárzás kibocsátása kíséri. A hétköznapi kémiai reakciókban az elektronok és a kötések rendeződnek át; itt maga az atommag változik.
Két számot követünk: A és Z
Az 1.1.1 Atomok, izotópok és ionok részben már megtanultad: a tömegszám A a protonok és neutronok számának összege, a rendszám Z pedig a protonok száma. A AZX jelölésben ez a két szám a vegyjel bal oldalán áll. Ha Z megváltozik, másik elem keletkezik.
Három folyamat, háromféle magváltozás
Válassz folyamatot, és figyeld meg, mi indokolja A és Z változását.
α-bomlás
α-bomlás
Mi történik az atommaggal?
Folyamat | Az ok | A változása | Z változása |
|---|---|---|---|
α-bomlás | Hélium-4 atommag távozik: 2 proton és 2 neutron. | −4 | −2 |
β−-bomlás | Neutronból proton lesz; elektron és elektron-antineutrínó keletkezik. | 0 | +1 |
γ-átmenet | A gerjesztett atommag fotont bocsát ki, és kisebb energiájú állapotba kerül. | 0 | 0 |
β−-bomláskor n0 → p+ + e− + ν̅e−. A nukleonok száma nem változik, de eggyel több proton lesz. A kibocsátott elektron a magfolyamatban keletkezik, nem az elektronfelhőből távozik. Az elektron-antineutrínót ν̅e− jelöli; részletes tulajdonságait itt nem vizsgáljuk. γ-átmenetkor a protonok és neutronok száma egyaránt változatlan.
Felidéző gyakorlás
Egy atommagban egy neutron protonná alakul. Hogyan változik A és Z?
Válaszolj a kérdésre, majd ellenőrizd a válaszod, és olvasd el a magyarázatot. Ebben a gyakorló nézetben a válaszokat nem mentjük.
A kibocsátott sugárzás tulajdonságai
Az előbb az atommag változását követtük. Most a belőle kilépő sugárzást hasonlítjuk össze.
Sugárzás | Mi alkotja? | Töltés | Áthatolás és árnyékolás |
|---|---|---|---|
α | Hélium-4 atommag | +2 | Kis áthatolóképesség; papír is elnyeli. |
β− | Elektronok | −1 | Az α-nál nagyobb áthatolóképesség; megfelelő műanyag vagy vékony fémréteg árnyékolhatja. |
γ | Nagy energiájú elektromágneses sugárzás (fotonok) | 0 | Nagy áthatolóképesség; vastag ólom vagy beton csökkenti az intenzitását. |
A sugárzások ionizáló hatásúak: elektronokat szakíthatnak ki az anyag atomjaiból vagy molekuláiból. Az áthatolóképesség azt jellemzi, milyen mélyre juthatnak az anyagban. Nem azonos az ionizáló hatással. A szükséges árnyékolás az energiától és az anyagtól is függ; a γ-sugárzásnál nem beszélünk minden helyzetben teljes megállításról.
Magátalakulási egyenletek
Mindig ugyanazzal a módszerrel dolgozz
Azonosítsd a folyamatot. Mi távozik, vagy mi alakul át az atommagban?
Határozd meg az új A-t és Z-t. Az adott folyamatból vezesd le a változást.
Keresd meg az elemet Z alapján a periódusos rendszerben, és írd fel az egyenletet.
Külön ellenőrizd a felső és az alsó indexek összegét a két oldalon.
Az atommagoknál az alsó index Z. Az elektron és a foton jelölésében viszont a töltésszámot írjuk ide: ez nem „negatív rendszámú elem”.
Kidolgozott példa: urán-238 α-bomlása
23892U → 23490Th + 42He
- Az α-részecske 2 protont és 2 neutront visz el.
- A = 238 − 4 = 234; Z = 92 − 2 = 90. A 90-es rendszámú elem a tórium.
- Felső indexek: 238 = 234 + 4.
- Alsó indexek: 92 = 90 + 2.
Kidolgozott példa: szén-14 β−-bomlása
146C → 147N + 0−1e− + 00ν̅e
- Egy neutron protonná alakul: A = 14, Z = 6 + 1 = 7. A 7-es rendszámú elem a nitrogén.
- Az elektron és az elektron-antineutrínó nem nukleon; felső indexük 0.
- Felső indexek: 14 = 14 + 0 + 0.
- Alsó indexek: 6 = 7 − 1 + 0.
Az elektron jelölésének −1 alsó indexe a töltését jelenti. A neutrínójel feletti vonás antineutrínót jelöl.
γ-átmenet: ugyanaz az atommag, kisebb energia
AZX* → AZX + 00γ
A csillag gerjesztett atommagot jelöl. A és Z nem változik, így az elem sem változik meg. A felső indexek összege A = A + 0, az alsóké Z = Z + 0. A γ-foton nem töltött részecske.
Mi hiányzik az egyenletből?
Használhatod a periódusos rendszert. A most szükséges néhány adatot itt is megtalálod:
Z | Elem | Vegyjel |
|---|---|---|
7 | nitrogén | N |
82 | ólom | Pb |
84 | polónium | Po |
90 | tórium | Th |
92 | urán | U |
Önálló feladat
Egészítsd ki a polónium-210 α-bomlását!
Előbb A-t és Z-t számítsd ki, majd keresd meg a vegyjelet. Az egyenlet: 21084Po → ? + 42He.
1. Tömegszám
Válaszolj a kérdésre, majd ellenőrizd a válaszod, és olvasd el a magyarázatot. Ebben a gyakorló nézetben a válaszokat nem mentjük.
Mennyi a keletkező atommag A tömegszáma?
Felidéző gyakorlás
Mi hiányzik: 146C → 147N + ? + 00ν̅e⁻?
Válaszolj a kérdésre, majd ellenőrizd a válaszod, és olvasd el a magyarázatot. Ebben a gyakorló nézetben a válaszokat nem mentjük.
Felezési idő: mindig a maradék feleződik
Egy szemléltető mintában kezdetben 80 g egy adott radioaktív izotóp található. Egy felezési idő után ebből átlagosan 40 g, majd 20 g, végül 10 g marad: 80 → 40 → 20 → 10 g. Az eredeti mennyiséghez viszonyítva: 100% → 50% → 25% → 12,5%.
A második lépésben a megmaradt 40 g felét vesszük, nem az eredeti 80 g felét vonjuk le újra.
Miért statisztikus fogalom?
A felezési idő (T½) az az időtartam, amely alatt nagyszámú, azonos radioaktív atommagból átlagosan a fele elbomlik. Egyetlen atommag bomlásának időpontját nem tudjuk megjósolni. A sok atommag együttes viselkedése viszont szabályos.
Hasonlóan: sok pénzérme feldobásakor nagyjából az érmék fele mutat fejet, de egyetlen dobás eredményét nem tudjuk előre. Ez csak a véletlenszerűség szemléltetése, nem a bomlás mechanizmusának modellje.
0 felezési idő: 0 óra, 80 g, 100%
0 felezési idő: 0 óra, 80 g, 100%
A léptető adatai
A szemléltető izotóp felezési ideje 6 óra; a kiinduló radioaktív mennyiség 80 g. Az adatok makroszkopikus, átlagos mennyiségeket jelentenek.
Eltelt felezési idők | Eltelt idő | Megmaradt izotóp | Kezdeti mennyiség %-a |
|---|---|---|---|
0 | 0 óra | 80 g | 100% |
1 | 6 óra | 40 g | 50% |
2 | 12 óra | 20 g | 25% |
3 | 18 óra | 10 g | 12,5% |
Számolás egész számú felezési időkkel
Ha n egész felezési idő telt el, a megmaradt mennyiség: Q = Q0 · (12)n. Q0 a kiinduló, Q a megmaradt mennyiség; n az eltelt felezési idők száma. Ugyanezt ismételt felezéssel is kiszámolhatod.
18 óra alatt, 6 órás felezési időnél n = 186 = 3. Ezért Q = 80 · (12)3 = 10 g. Mindig add meg, minek a mennyiségét számoltad és milyen egységben.
Felidéző gyakorlás
Egy izotóp felezési ideje 4 óra. Hány felezési idő telik el 12 óra alatt?
Válaszolj a kérdésre, majd ellenőrizd a válaszod, és olvasd el a magyarázatot. Ebben a gyakorló nézetben a válaszokat nem mentjük.
Aktivitás: milyen gyakran történik bomlás?
Az aktivitás a radioaktív bomlások időegységre jutó száma. Mértékegysége a becquerel (Bq): 1 Bq = 1 bomláss. Ez átlagos gyakoriság; nem jelenti azt, hogy minden bomlás pontosan egy másodpercenként történik.
Ugyanannál a radionuklidnál a több el nem bomlott atommag nagyobb aktivitást jelent. Ahogy a megmaradt mennyiség feleződik, az adott radionuklid aktivitása is feleződik. Az aktivitás és a tömeg azonban két különböző mennyiség.
Felidéző gyakorlás
Egyetlen radionuklid aktivitása kezdetben 160 Bq. Mennyi két felezési idő elteltével?
Válaszolj a kérdésre, majd ellenőrizd a válaszod, és olvasd el a magyarázatot. Ebben a gyakorló nézetben a válaszokat nem mentjük.
Mire használhatók a radioaktív izotópok?
Radiokarbonos kormeghatározás
Az élő szervezet széncserét folytat a környezetével. Halála után ez megszűnik; a benne maradt szén-14 mennyisége bomlással csökken. A 146C felezési ideje kb. 5730 év.
Ha a kiinduló szén-14-arány negyede maradt meg, az egyszerű modellben két felezési idő telt el: 1 → 12 → 14. A becsült kor 2 · 5730 ≈ 11 460 év.
A valódi radiokarbonos kormeghatározás ennél összetettebb; itt a felezési idő elvét gyakoroljuk.
Radioaktív nyomjelzés
Ugyanannak az elemnek az izotópjai hasonló kémiai tulajdonságúak. Ha egy anyagba megfelelő radioaktív izotópot építünk, az anyag útja a kibocsátott sugárzás mérésével követhető.
Orvosi diagnosztika: egy jelzett anyag eloszlása vagy felvétele vizsgálható.
Ipar: áramlás, keveredés követhető.
Kutatás: anyagok útja és átalakulása vizsgálható.
Hevesy György a radioaktív izotópok nyomjelzőként való alkalmazásának úttörője volt. Módszere lehetővé tette az anyagok útjának követését kémiai és biológiai folyamatokban.
Besugárzás, szennyeződés, védelem
Két külön helyzet
Besugárzáskor sugárzás éri a testet. Például egy külső γ-forrásból származó sugárzás ér el minket.
Radioaktív szennyeződéskor radioaktív anyag kerül a testre vagy a szervezetbe. Ilyen lehet a belélegzett radioaktív por.
Az α-sugárzás kis áthatolóképessége miatt kívülről könnyen árnyékolható. Ha viszont α-sugárzó anyag jut a szervezetbe, a sugárzás közvetlenül a belső szöveteket érheti. A külső és belső kockázat ezért eltér.
Felidéző gyakorlás
Radioaktív por kerül valakinek a ruhájára. Melyik fogalom írja le az anyag odakerülését?
Válaszolj a kérdésre, majd ellenőrizd a válaszod, és olvasd el a magyarázatot. Ebben a gyakorló nézetben a válaszokat nem mentjük.
Ne keverd össze!
A γ-átmenet nem változtatja meg az elemet.
A β−-elektron a magfolyamatban keletkezik, nem az elektronfelhőből lép ki.
A felezési idő a radioaktív izotóp megmaradt mennyiségére vonatkozik, nem feltétlenül a teljes minta tömegére.
Önálló feladat
Összefoglaló feladat: radioaktív források vizsgálata
Egy laboratóriumban két forrást vizsgálnak. Az elsőben Po-210-ből hélium-4 atommag távozik. A második egy másik radionuklidot tartalmaz; ennek felezési ideje 6 óra, kezdeti aktivitása 160 Bq. A c) részhez használhatod az előbbi elemtáblázatot.
a) Folyamat
Válaszolj a kérdésre, majd ellenőrizd a válaszod, és olvasd el a magyarázatot. Ebben a gyakorló nézetben a válaszokat nem mentjük.
Milyen bomlás történik az első forrásban?
Ellenőrizd magad!
Amit mindenképp jegyezz meg
A folyamat okából vezesd le A és Z változását, majd ellenőrizd külön a két indexösszeget. Felezési időnél mindig a megmaradt radioaktív mennyiséget felezd; az aktivitás egysége Bq. A besugárzás és a radioaktív szennyeződés két külön fogalom.
Fogalmak és összefüggések egy helyen
Instabil atommag → spontán átalakulás → α, β− és γ: új atommag vagy kisebb energiájú állapot; a folyamatból következik A és Z változása.
Sok azonos radioaktív atommag → statisztikus viselkedés → felezési idő: a megmaradt mennyiséggel együtt az adott izotóp aktivitása is csökken.
Mérhető sugárzás → alkalmazások: anyagok útjának követése, kormeghatározás, orvosi és ipari vizsgálatok.
Az atomtól a magátalakulásig
Az 1.1.1-ben az atom felépítését, az izotópokat és az ionokat vizsgáltuk. Az 1.1.2 és 1.1.3 az elektronok elrendeződésére és ennek következményeire épült. Most azt láttuk, mi történhet akkor, amikor maga az atommag alakul át.
Kapcsolódó érettségi követelmények
Középszint
Az OH 2024-től alkalmazott kémia-vizsgakövetelményeinek „1.1 Atomszerkezet / Elem” része előírja a radioaktív izotópok alkalmazásának jelentőségét a gyógyászatban, a műszaki életben és a kormeghatározásban, valamint Hevesy György munkásságának jelentőségét.
A bomlástípusok részletes A/Z-mérlege, a felezési idő számítása, az aktivitás és a sugárvédelem itt az alkalmazások megértését segítő tananyag. Ezeket az ellenőrzött kémiai követelmény nem sorolja fel önálló tételként.
Források
Oktatási Hivatal: kémia részletes vizsgakövetelmények, 2024-től, 1.1 Atomszerkezet, Elem.
OpenStax Chemistry 2e, 21.3 Radioactive Decay: magátalakulások, egyenletek és felezési idő.
NIST: radiokarbonos kormeghatározás: szén-14, kb. 5730 éves felezési idő.
CDC: Radiation Safety: idő, távolság és árnyékolás.
CDC: Contamination versus Exposure: besugárzás és szennyeződés.
Nobel Prize: Hevesy György: radioaktív nyomjelzés.
Következő rész
Az atomokról most a sok részecskéből álló anyagi halmazokra térünk át: 1.2.1 Halmazállapotok és ideális gázok.