Sugárzás alapjai

A sugárzás az anyag által sugárzás vagy nagy sebességű részecskék formájában leadott energia. Minden anyag atomokból áll. Az atomok különböző részekből állnak; a mag apró részecskéket tartalmaz, amelyeket protonoknak és neutronoknak neveznek, az atom külső héja pedig más részecskéket, úgynevezett elektronokat. A mag pozitív elektromos töltést, míg az elektronok negatív elektromos töltést hordoznak. Ezek az atomon belüli erők az erős, stabil egyensúly felé törekszenek azáltal, hogy megszabadulnak az atomenergia feleslegétől (radioaktivitás). Ebben a folyamatban az instabil magok energiát bocsáthatnak ki, és ezt a spontán emissziót nevezzük sugárzásnak.

További információkért lásd az alábbi témaköröket ezen az oldalon:

A sugárzás fizikai formái

Amint azt korábban jeleztük, az anyag két alapvető fizikai formában adja ki az energiát (sugárzást). A sugárzás egyik formája a tiszta energia, súly nélkül. Ez a sugárzási forma - elektromágneses sugárzás néven ismert - olyan, mint a rezgő vagy lüktető sugarak vagy az elektromos és mágneses energia "hullámai". Az elektromágneses sugárzás ismert típusai: napfény (kozmikus sugárzás), röntgensugarak, radar és rádióhullámok.

A sugárzás másik formája - részecskesugárzásként ismert - apró, gyorsan mozgó részecskék, amelyeknek energiája és tömege is van. A sugárzásnak ez a kevésbé ismert formája magában foglalja az alfa részecskéket, a béta részecskéket és a neutronokat, az alábbiakban kifejtettek szerint.

Radioaktív bomlás

Amint azt korábban jeleztük, a nagy instabil atomok sugárzás kibocsátásával stabilabbá válnak, hogy megszabaduljanak az atomenergia feleslegétől (radioaktivitás). Ez a sugárzás pozitív töltésű alfa részecskék, negatív töltésű béta részecskék, gammasugarak vagy röntgensugarak formájában bocsátható ki, az alábbiakban kifejtve.

Ennek a folyamatnak - az úgynevezett radioaktív bomlásnak - köszönhetően a radioizotópok idővel elveszítik radioaktivitásukat. A radioaktivitás ezen fokozatos elvesztését felezési időkben mérjük. Lényegében a radioaktív anyag felezési ideje az az idő, amely alatt a radioizotóp atomjainak fele sugárzással bomlik. Ez az idő a másodperc töredékeitől (a radon-220 esetében) és a több millió évig terjedhet (a tórium-232 esetében). Ha a radioizotópokat az orvostudományban vagy az iparban használják, elengedhetetlen tudni, hogy milyen gyorsan veszítenek radioaktivitásukból, annak érdekében, hogy megismerjék az orvosi eljáráshoz vagy az ipari felhasználásra rendelkezésre álló radioizotóp pontos mennyiségét.

Nukleáris maghasadás

Bizonyos elemekben a mag elszakadhat egy további neutron abszorpciójának eredményeként, egy maghasadásnak nevezett folyamat révén. Az ilyen elemeket hasadó anyagoknak nevezzük. Az egyik különösen figyelemre méltó hasadóanyag az urán-235. Ez az az izotóp, amelyet üzemanyagként használnak a kereskedelmi atomerőművekben.

Amikor a mag hasad, három fontos eseményt okoz, amelyek energia felszabadulást eredményeznek. Pontosabban, ezek az események a sugárzás felszabadulása, a neutronok (általában kettő vagy három) felszabadulása és két új mag (hasadási termékek) képződése.

Ionizáló sugárzás

A sugárzás lehet ionizáló vagy nem ionizáló, attól függően, hogy milyen hatással van az anyagra. A nem ionizáló sugárzás magában foglalja a látható fényt, a hőt, a radart, a mikrohullámokat és a rádióhullámokat. Ez a fajta sugárzás energiát rak le azokban az anyagokban, amelyeken keresztül halad, de nincs elegendő energiája a molekuláris kötések megszakításához vagy az elektronok eltávolításához az atomokból.

Ezzel szemben az ionizáló sugárzás (például röntgen és kozmikus sugár) energikusabb, mint a nem ionizáló sugárzás. Következésképpen, amikor az ionizáló sugárzás áthalad az anyagon, elegendő energiát rak le a molekuláris kötések megtörésére és az elektronok kiszorítására (vagy eltávolítására) az atomokból. Ez az elektron elmozdulás két elektromosan töltött részecskét (iont) hoz létre, amelyek változásokat okozhatnak a növények, állatok és emberek élő sejtjeiben.

Az ionizáló sugárzásnak számos előnyös felhasználása van. Például ionizáló sugárzást használunk füstérzékelőkben és rák kezelésére vagy orvosi berendezések sterilizálására. Ennek ellenére az ionizáló sugárzás potenciálisan káros lehet, ha nem megfelelően használják. Következésképpen az Egyesült Államok Nukleáris Szabályozási Bizottsága (NRC) szigorúan szabályozza a nukleáris anyagok kereskedelmi és intézményi felhasználását, beleértve a következő öt fő ionizáló sugárzás típusát:

Alfa részecskék
Béta részecskék
Gammasugarak és röntgensugarak
Semlegesek

Alfa részecskék

Az alfa részecskék töltött részecskék, amelyeket természetes úton előforduló anyagok (például urán, tórium és rádium) és ember alkotta elemek (plutónium és americium) bocsátanak ki. Ezeket az alfa-kibocsátókat elsősorban (nagyon kis mennyiségben) olyan cikkekben használják, mint a füstérzékelők.

Az alfa-részecskék általában nagyon korlátozottan képesek behatolni más anyagokba. Más szavakkal, ezeket az ionizáló sugárzás részecskéit elzárhatja egy papírlap, bőr vagy akár néhány hüvelyknyi levegő is. Mindazonáltal az alfa részecskéket kibocsátó anyagok potenciálisan veszélyesek, ha belélegzik vagy lenyelik őket, de a külső expozíció általában nem jelent veszélyt.

Béta részecskék

Az elektronokhoz hasonló béta részecskék a természetben előforduló anyagokból (például stroncium-90) bocsátódnak ki. Ilyen béta-kibocsátókat használnak orvosi alkalmazásokban, például a szembetegségek kezelésében.

Általában a béta részecskék könnyebbek, mint az alfa részecskék, és általában jobban behatolnak más anyagokba. Ennek eredményeként ezek a részecskék néhány lábnyit utazhatnak a levegőben, és behatolhatnak a bőrbe. Ennek ellenére egy vékony fém- vagy műanyaglemez vagy egy fatömb képes megállítani a béta-részecskéket.

Gammasugarak és röntgensugarak

A gammasugarak és a röntgensugarak nagy energiájú hullámokból állnak, amelyek fénysebességgel nagy távolságokat képesek megtenni, és általában kiválóan képesek behatolni más anyagokba. Ezért a gammasugarakat (például kobalt-60-ból) gyakran használják orvosi alkalmazásokban rák kezelésére és orvosi műszerek sterilizálására. Hasonlóképpen, a röntgensugarakat általában testrészek (például fogak és csontok) statikus képeinek elkészítésére használják, és az iparban is használják a varratok hibáinak felderítésére.

Annak ellenére, hogy képesek behatolni más anyagokba, általában sem a gammasugarak, sem a röntgensugarak nem képesek radioaktívvá tenni semmit. Több lábnyi beton vagy néhány hüvelyk sűrű anyag (például ólom) képes blokkolni az ilyen típusú sugárzást.

Semlegesek

A neutronok nagysebességű nukleáris részecskék, amelyek kivételesen képesek behatolni más anyagokba. Az itt tárgyalt öt ionizáló sugárzás közül a neutronok az egyetlenek, amelyek radioaktívvá tehetik az objektumokat. Ez a folyamat, az úgynevezett neutron aktiváció, számos radioaktív forrást eredményez, amelyeket orvosi, tudományos és ipari alkalmazásokban (beleértve az olajkutatást is) használnak.

Mivel a neutronok kivételesen képesek behatolni más anyagokba, nagy távolságokat képesek megtenni a levegőben, és nagyon vastag hidrogéntartalmú anyagok (például beton vagy víz) szükségesek a blokkoláshoz. Szerencsére azonban a neutron sugárzás elsősorban egy atomreaktor belsejében fordul elő, ahol sok lábnyi víz biztosítja a hatékony árnyékolást.