Ásványok gamma-spektroszkópiája
Az embert a mindennapokban érő ionizáló sugárzás tetemes része természetes, létezésünk óta velünk van. Ezen természetes sugárzás származhat az űrből (kozmikus sugárzás), a levegőben létrejövő radioaktív izotópokból (14C, 3H), de legjelentősebb forrása a Földkéregben meghúzódó 40K, 232Th, az 238U, az 235U és leányelemeik. Ezen izotópokat a Földön semmilyen folyamat nem gyártja le, létezésük a milliárd éves nagyságrendű felezési idejüknek köszönhetik. A 40K-el jelen laborgyakorlatban nem foglalkozunk jellemzően kis természetes aktivitása miatt. Mivel az 235U elenyésző százalékban van jelen a kőzetekben, azért azzal sem foglalkozunk. Jelen mérés tárgya a 232Th és az 238U azonosítása kőzetekben. A labormérés során ezek nyomait fogjuk keresni az ásványtár kőzeteiben.
Az urán/tórium keresésének módszere a gamma-spektroszkópia lesz, azaz radioaktív elemek által kibocsájtott nagy energiájú (sejtek károsítására képes) elektromágneses sugárzást, gamma-sugárzást mérünk. A spektroszkópia szó azt sugallja, hogy a sugárzást az energiájának gyakorisági eloszlásával fogjuk vizsgálni. Mivel a radioaktív izotópok által kibocsájtott gamma fotonok energiája fix értékek lehetnek, ezért az energia szerinti vizsgálat az izotópok azonosítására alkalmas.
Az ionizáló sugárzásokat rendszerezhetjük a kibocsájtott részecske típusa szerint, ezzel megkülönböztetve az áthatolóképességét és biológiai hatását is. Ez alapján 3 féle sugárzást különíthetünk el:
Az alfa-sugárzás két protont és két neutront tartalmazó hélium ionokból áll, amelyek az anyagba behatolva gyorsan elvesztik energiájukat. Egy vékony papírlap vagy pár centi vastag levegőréteg elnyeli, így az alfa-részecskék csak lenyelés vagy belélegzés esetén veszélyesek az emberi szervezetre.
A béta-sugárzás negatív töltésű elektronokból vagy pozitív töltésű pozitronokból áll. Mélyebbre hatolnak mint az alfa sugárzás, de megállításukra elegendő egy vékony műanyag vagy fémréteg. Szövetben nem hatolnak mélyre. Béta-sugárzó anyagok főként lenyeléskor vagy belélegzésnél veszélyesek.
A gamma-sugárzás nagy energiájú (sejtek károsítására képes) elektromágneses sugárzás. A forrása az atommag exoterm átalakulása/átrendeződése. Nagy áthatolóképességük miatt csak vastag ólom- vagy más nagy sűrűségű anyagréteggel árnyékolhatók. Áthatolóképességük igen nagy, ionizáló képességük azonban kicsi, mivel csak másodlagos részecskék révén tudnak ionizálni.
A mérés során csak a vitrin üvegén és a detektor fém házán áthaladó sugárzást tudjuk detektálni, amire csak a gamma-sugárzás képes. Ezen gamma fotonokat az urán/tórium bomlási sorában létrejövő atommagok bocsájtják ki. A 232Th és 238U alfa-bomlással bomlanak, tehát nem bocsájtanak ki gamma-sugárzást, viszont a keletkező leányelemük1 is radioaktív izotóp lesz, amely tovább bomlik alfa- és béta-bomlások sorozatával, egészen addig amíg végül egy stabil elem keletkezik (ólom). A bomlások ezen láncolatát bomlási soroknak nevezzük. Az ábrán a 232Th (tórium-sor) és238U (urán-sor) izotópok bomlási sora látható. Amikor arról beszélünk, hogy egy kőzetben urán/tórium van, az azt jelenti, hogy a bomlási sorának összes eleme is jelen van vele együtt.
Új izotóp keletkezése csak alfa- és béta-sugárzással lehetséges, gamma-sugárzás akkor jöhet létre, ha egy keletkező leányelem gerjesztett állapotban jön létre, amely többletenergiáját kénytelen leadni egy gamma foton formájában még a következő bomlás előtt. A fenti bomlási sorokon nincs jelölve, de a bomlási sor megannyi eleme bocsájt ki gamma fotont különböző meghatározott energiával. Ezeket a gamma fotonokat mérjük. A fotonok energiájának meghatározásával beazonosítható, hogy a bomlási sorok mely eleme bocsájtotta ki azt.
|
