A környezeti radioaktivitás

A természetben mintegy 280 féle atommag található. Ezek jelentős része stabil. Azonban több mag ionizáló sugárzásokat bocsát ki, radioaktivitást mutat. A radioaktivitás a termé-szet része.

A természetben előforduló radioaktivitás több okra vezethető vissza, és az aktív atom-magok több csoportra is oszthatók.

Az első csoportban a radioaktív családok vannak. A radioaktív családokhoz tartozó sugárzó izotópok eredete a Föld kialakulása előtt, kb. 6 milliárd évvel ezelőtt végbement szupernóva-robbanásban keletkező igen hosszú, a Föld korával (mintegy 4,6 milliárd év) összevethető felezési idejű atommagokhoz köthetők. Az ilyen hosszú felezési idejű izotó-pok még nem bomlottak mind el, és ők, valamint a bomlásukból származó leányizotópjaik ma is hozzájárulnak a természet radioaktivitásához.

A természetes radioaktivitásban közismerten három sugárzásfajtát, az α-, a β- és a γ-sugárzást figyelték meg. Az α-részecske a 4-es tömegszámú, 2 protonból és 2 neutronból álló ⁴He atommag, a β-sugárzás elektron magból való távozását jelenti. Az előbbi bomlás-nál kettővel kisebb rendszámú és néggyel kisebb tömegszámú leánymag, míg a β-bomlásnál egy eggyel nagyobb rendszámú, az anyamaggal azonos tömegszámú mag kelet-kezik. A gamma-sugárzás nem változtatja meg a nukleonrendszer összetételét, tehát a mag nem változik. Ennek megfelelően a radioaktív bomlási soroknál, tehát akkor, amikor egy hosszú felezési idejű izotóp és bomlástermékei a lehetséges bomlási láncon a belőlük létre-jövő stabil atommagig eljutnak, a tömegszám néggyel való osztásának maradéka nem vál-tozhat. Az azonos maradékot mutató radioaktív csoportokba tartozó magok nem kevered-nek, ezek alkotják a radioaktív családokat. – Érdemes megjegyezni, hogy minden esetben igaz, hogy az anyamagé a leghosszabb felezési idő, és ez sokkal nagyobb, mint a sor tagjai bármelyikének felezési ideje. Így ahány atommag elbomlik a leghosszabb felezési idejű izotópból, ugyanannyi bomlik minden leányeleméből ugyanannyi idő alatt. Ezt hívjuk ra-dioaktív egyensúlynak (lásd később).

Elvileg természetesen négy radioaktív család létezhet. Ezek a 4n tömegszámmal jel-lemzett tórium-sor, a 4n+1 típusú neptúnium-sor, a 4n+2 tulajdonságú urán-sor és a 4n+3 alakba írható tömegszámú aktínium-sor.

A tórium-sor leghosszabb, 14,1 milliárd év felezési idejű eleme a ²³²Th (a tóriumizotóp összetételében 100% a részaránya). A sor stabil végmagja a ²⁰⁸Pb (52,4%). A tórium-sort a 2.8. ábrán mutatjuk be.

2.8. ábra: A tórium-sor. (Az y az évet, a d a napot, a h az órát és az m a percet jelenti az egyes magoknál jelzett felezési időknél, a százalékok a bomlási arányokra utalnak.)

A neptúnium-sor nem fordul elő a természetben, mert a sorban a ²³⁷Np él a leghosz-szabban, és a felezési ideje is csak 2,2 millió év. Ennek a sornak a stabil végállomás-izotópja a ²⁰⁹Bi, amely 100%-ban vesz részt a bizmut természetes izotópösszetételében.

Az urán-sor anyaizotópja a ²³⁸U 4,5 milliárd év felezési idővel. Az urán-238 99,3%-ban található a természetes urán99,3%-ban. A végmag ennél családnál az ólom-206 (24,1%). Az urán-sort a 2.9. ábra mutatja. Megjegyezzük, hogy a radon-222, amelynek jelentős környe-zeti hatása van, az urán-sor eleme.

2.9. ábra: Az urán-sor

Az aktínium-sor leghosszabb felezési idejű eleme a ²³⁵U (700 millió év). Az urán-235 megtalálható a természetben, részaránya 0,7%. A stabil leányelem ennél a sornál az ólom-207 (22,1%).

A természetben található radioaktív magok másik csoportjába a radioaktív családokhoz nem tartozó könnyebb, hosszú felezési idejű izotópok tartoznak. Mintegy húsz olyan atommagot ismerünk, amelyek felezési ideje hosszabb, mint egy milliárd év. Ilyenek pél-dául a ⁴⁰K (1,28 milliárd felezési idő, 0,0128%-ban vesz részt a természetes izotópösszetételben), a ⁸⁷Rb (47 milliárd év, 27,83%), a ¹¹³Cd (9^.10¹⁵ év, 12,3%) és az ¹¹⁵In (5^.10¹⁴ év, 95,7%).

Jelenlegi ismereteink szerint radioaktív családok és a könnyebb, hosszú felezési idejű izotópok által termelt energia a fő forrása a geotermikus energiának.

A természetes eredetű radioaktív izotópok harmadik csoportjába a folyamatosan ke-letkező radioaktív magok tartoznak. Két figyelemre méltó, a környezettudományi tudo-mányos kutatásokban, vizsgálatokban fontos szerepet játszó izotóp is beletartozik ebbe a csoportba. A Föld légkörében folyamatosan keletkezik a trícium (³H) és a radiokarbon (¹⁴C). Mindkét atommag a kozmikus sugárzás által a sztratoszférában kiváltott nagy ener-giájú neutronoknak és a légkört alkotó anyagok atommagjainak reakciójából jön létre. A kozmikus térből érkező sugárzás ugyanis főleg nagy energiájú protonokból áll, amelyek leggyakrabban a felszín feletti 15 km-nél magasabban lévő légkörben atommagokkal üt-közve másodlagos részecskék sorát, többek között gyorsneutronokat váltanak ki és indíta-nak el. Ezek a neutronok azok, amelyek azután kiváltják a trícium és a radiokarbon atom-magokat létrehozó magreakciókat.

A magreakciók, amelyek a légkörben lévő gyakori ¹⁴N és ¹⁶O atommagokon mennek végbe, a következők:

14N+n → ¹²C+³H, illetve ¹⁶O+n → ¹⁴N+³H a trícium keltésére, és

14N+n → ¹⁴C+p a radiokarbon keletkezésére.

A trícium és a radiokarbon keltésének relatív gyakoriságát a reakciókban részt vevő céltárgymagok mennyisége és a vonatkozó magreakciók valószínűsége határozza meg. A trícium keltési sűrűsége ~0,25 tríciumatom/cm²/s. Tríciumból egyensúlyi állapotban min-tegy 4 kg van jelen az atmoszférában. – A radiokarbon keltési sűrűsége ~2 atom/cm²/s, ami azt jelenti, hogy közel 7 kg ¹⁴C keletkezik évente elsősorban a felső atmoszférában. A ra-diokarbon gyakorlatilag azonnal beépül a szén-dioxid molekulákba, a térbeli eloszlásuk pedig rövid idő alatt homogenizálódik. A radiokarbon egyensúlyi mennyiségét mintegy 56 tonnára becsülik a légkörben.

A trícium radioaktív, felezési ideje 12,3 év. Negatív β-bomlással bomlik, amelynek energiája Emax=18,6 keV. A radiokarbon felezési ideje 5370 év, és a negatív β-bomláshoz tartozó bomlási energia Emax=156 keV. A trícium a hidrogén egyik izotópjaként, a radio-karbon a szén izotópjaként viselkedik a bioszférában.

Különlegesen érdekes szerepet kap a radiokarbon történelmi leletek kormeghatáro-zásában. Arról van ugyanis szó, hogy a ¹⁴C minden, a bioszférával való kölcsönhatásban felépülő szénvegyületbe beépül. Így az anyagcserét folytató élő szervezetek felveszik és szervezetükbe beépítik a radiokarbont is tartalmazó szénvegyületeket. Az élő szervezetek-ben a szénre vonatkozólag egyensúly alakul ki, aktivitása ~13,5 Bq/g. Ez az egyensúly addig marad fenn, amíg a szervezet anyagcserét folytat, tehát él. A szervezet halálakor az anyagcsere leáll, és ezután már csak csökken a test anyagának aktivitása. Így ha az anyag-cserét már megszüntetett szerves anyagok széntartalmának ¹⁴C aktivitását meghatározzuk, akkor a bomlás törvényének ismeretében meghatározható az az időpont, amikor az anyag-csere megszűnt. Ezt az eljárást hívjuk radiokarbon kormeghatározásnak.

A radiokarbon felezési ideje 5730 év, összemérhető az emberi civilizáció időtartamá-val. Ennek megfelelően meg lehet határozni a történelmi korokból származó szerves lele-tek korát.

Természetesen e kormeghatározási eljárásnak számos nehézsége van. Az egyik legne-hezebb feladat a szénmintát megfelelően előkészíteni: biztosítani kell, hogy későbbi ko-rokból származó szerves szennyezések ne zavarják meg az eljárást, és mindenképpen tudni kell a minta széntartalmát. A bomlásnál keletkező β-részecske energiája méréstechnikai szempontból kicsinek tekinthető, és ezért detektálási nehézségek is fellépnek. – Ráadásul egyáltalán nem lehetünk biztosak abban, hogy a kozmikus sugárzás által kiváltott neutronfluxus nem mutat-e ingadozást abban az időtartamban, amelyben a kormeghatáro-zást le kívánjuk folytatni. Feljegyzésekből, vagy egyéb módon biztosan ismert korú tár-gyak alkalmasak a módszer megbízhatóságának ellenőrzésére. Az eredmények azt mutat-ják, hogy a felmerülő problémák mind kezelhetők, és a módszer hatékonynak bizonyult a pontos kormeghatározásban a jelen időpont előtti mintegy 300 évtől kb. 50 000 évvel eze-lőttiig.

A trícium felezési ideje lényegesen rövidebb (12,3 év). Ezért a trícium bomlásából a fel-szín alatti vizek évtizedes elzártságára, mesterségesen elzárt víztartalmú folyadékok (például bor) korára lehet következtetni a radiokarbon eljáráshoz teljesen hasonló módszerrel.

A tríciumnál azonban problémát jelent, hogy eloszlása a keletkezéskor hely szerint erősen inhomogén, és nincs olyan mechanizmus, amely a gyors keveredést lehetővé tenné.

A környezetünkben lévő radioaktivitások negyedik csoportjába a környezetbe került mesterséges eredetű radioaktív anyagok tartoznak. A mesterséges radioaktivitások for-rása lehetett a nukleáris technika, az atomerőművek meghibásodásai, de a környezetbe ember által létrehozott aktivitások a legnagyobb mennyiségben a nukleáris felfegyverkezés 1950-es évtizedre és az 1960-as évek elejére eső korszakában a légköri atomfegyver-kísérletek nyomán jutottak. Az Atomsorompó Egyezményt, amely megtiltja a légköri fegyverkísérleteket, 1963-ban kötötték. Azóta csak kevés légköri kísérletet hajtottak végre atomfegyvereket kifejleszteni, vagy továbbfejleszteni kívánó országok.

A hasadásos eredetű radioaktív izotópok között a két leghosszabb felezési idejű, ráadá-sul nagy hozammal keletkező atommag a ¹³⁷Cs (30,07 év) és a ⁹⁰Sr (28,78 év). Ezek az izotópok a Földön szinte mindenütt kimutathatóak és kimutathatóak is maradnak a követ-kező évszázadokban.

A mesterséges eredetű, természetbe kijutott radioaktivitásoktól származó dózis keve-sebb, mint 0,1% a természetes dózisokhoz viszonyítva.

2.3. A radioaktív sugárzások tulajdonságai