Summary of Atomszerkezet és radioaktivitás

## Bevezetés A radioaktivitás az a folyamat, melynek során egy instabil atommag spontán módon átalakul egy másik maggá, részecske vagy foton kibocsátásával. Ezek az átalakulások megváltoztatják az atommag proton- vagy neutronszámát, és elemek transzmutációjához vezetnek. Ez a tananyag magyarázza a radioaktív átalakulások alapvető eltolódási törvényeit, a felezési időt, a radioaktív bomlási sorokat és gyakorlati példákat. > **Definíció:** A radioaktivitás az instabil atommagok spontán részecske- vagy elektromágneses sugárzása, mely azok átalakulásához vezet. ## A radioaktív bomlások alapvető típusai (eltolódási törvények) Osztályozzuk őket aszerint, hogy mit bocsát ki a mag, és hogyan változik meg a protonszám ($Z$) és a nukleonszám ($A$). ### 1) α (alfa) bomlás - α-részecske kibocsátásakor (amely egy héliumatommag) a protonszám 2-vel, a nukleonszám pedig 4-gyel csökken. - Az új elem a periódusos rendszerben két hellyel balra található. > **Reakció:** $$\ce{{}_{Z}^{A}X -> {}_{2}^{4}\alpha + {}_{Z-2}^{A-4}Y}$$ Példák: - $$\ce{{}_{92}^{235}U -> {}_{2}^{4}\alpha + {}_{90}^{231}Th}$$ - $$\ce{{}_{84}^{200}Po -> {}_{2}^{4}\alpha + {}_{82}^{196}Pb}$$ ### 2) β (béta) bomlások A béta-bomlás során megmarad a nukleonszám ($A$), és megváltozik a protonszám ($Z$). 2a) β⁻ bomlás (béta mínusz) - β⁻ bomlás során egy neutron protonná alakul át, és kibocsátódik egy elektron és egy antineutrínó (az antineutrínó itt nincs feltüntetve az eredeti szövegben, de β⁻ bomláskor jellemzően előfordul). > **Reakció:** $$\ce{{}_{0}^{1}n -> {}_{-1}^{0}e + {}_{1}^{1}p}$$ > **Általánosan:** $$\ce{{}_{Z}^{A}X -> {}_{-1}^{0}e + {}_{Z+1}^{A}Y}$$ Példák: - $$\ce{{}_{92}^{235}U -> {}_{-1}^{0}e + {}_{93}^{235}Np}$$ - $$\ce{{}_{84}^{200}Po -> {}_{-1}^{0}e + {}_{85}^{200}At}$$ 2b) β⁺ bomlás (béta plusz) és elektronbefogás - β⁺ bomlás során egy proton neutronná alakul át, és kibocsátódik egy pozitron; elektronbefogás esetén pedig a $Z$ szintén 1-gyel csökken. > **Reakció:** $$\ce{{}_{1}^{1}p -> {}_{+1}^{0}e + {}_{0}^{1}n}$$ > **Általánosan:** $$\ce{{}_{Z}^{A}X -> {}_{+1}^{0}e + {}_{Z-1}^{A}Y}$$ Példák: - $$\ce{{}_{92}^{235}U -> {}_{1}^{0}e + {}_{91}^{235}Pa}$$ - $$\ce{{}_{84}^{200}Po -> {}_{1}^{0}e + {}_{83}^{200}Bi}$$ ### 3) γ (gamma) sugárzás - Gamma-sugárzás során a mag összetétele nem változik: nincs változás sem $Z$-ben, sem $A$-ban, csak a mag alacsonyabb energiaszintre kerül. > **Definíció:** A gamma-sugárzás nagy energiájú elektromágneses sugárzás, amely a mag alacsonyabb energiaszintre való átmenete során szabadul fel. ## Felezési idő - **Felezési idő** az az időtartam, amely alatt a radioaktív magok eredeti számának fele elbomlik. > **Definíció:** A felezési idő $t_{1/2}$ az az idő, amely alatt az aktivitás vagy a magok száma a felére csökken. - Exponenciális bomlás esetén a magok $N(t)$ számára a következő összefüggés érvényes: $$N(t) = N_0 e^{-\lambda t}$$ ahol $\lambda$ a bomlási állandó. - A $\lambda$ és $t_{1/2}$ közötti összefüggés: $$t_{1/2} = \frac{\ln 2}{\lambda}$$ Gyakorlati példa: ha egy izotóp felezési ideje $t_{1/2}=10\ \text{nap}$, 10 nap után $\frac{1}{2}N_0$ marad, 20 nap után $\frac{1}{4}N_0$ stb. ## Radioaktív sorok - Nehéz elemek bomlásakor gyakran keletkeznek további radioaktív izotópok, amelyek tovább bomlanak. Így jönnek létre a természetes radioaktív bomlási sorok. - A legtöbb természetes sor utolsó stabil tagja ólom vagy bizmut izotópja (stabil Pb vagy Bi egyes sorokban). Főbb természetes sorok: 1. Urán (pl. a $^{238}$U-ból) 2. Tórium (a $^{232}$Th-ból) 3. Aktínium-urán 4. Neptúnium (mesterségesen létrehozott, mesterséges elemeket tartalmaz) Érdekesség: Tudtad, hogy a természetes radioaktív sorok akár több mint tíz egymást követő bomlást is magukban foglalhatnak, mielőtt stabil termékek, például ólom keletkezik? ## Táblázat: Áttekintés a bomlásokról | Bomlás típusa | $Z$ változása | $A$ változása | Mi bocsátódik ki | Példa | | --- | ---: | ---: | --- | --- | | α | -2 | -4 | $\alpha$ (\ce{^{4}_{2}He}) | $$\ce{{}_{92