Jelen fejezetünkben a radioaktivitással kapcsolatos legalapvetőbb fogalmakat kívánjuk tisztázni, amelyek kellően pontos ismerete nélkül a radioaktív hulladékok kezelésének számos kérdését nem érthetjük meg. Külön kihangsúlyozzuk, hogy nem általában véve a sugárzásokról, nem is az ionizáló sugárzásokról kívánunk írni, mivel a radioaktív hulladékok, ahogy nevük is mutatja, radioaktív anyagokat tartalmaznak és így radioaktív sugárzást bocsátanak ki.

Az atommagok építőkövei, elemek és izotópok

A radioaktivitás fogalmának bevezetéséhez szükséges az atomok összetételével kapcsolatos fogalmak ismerete.

Az atomok térfogatának zömét a negatív töltésű elektronokból álló elektronfelhő alkotja. Ezen belül található az atom parányi, kb. 10-14 méter átmérőjű pozitív töltésű magja, mely az atom térfogatának csupán százmilliomodát teszi ki.

A radioaktivitás jelenségénél csak az atommag jellemzői számítanak. Az atommagnak kétféle építőköve van, a pozitív töltésű protonok és az elektromosan semleges neutronok. Az atommagot felépítő protonokat és neutronokat közösen nukleonoknak hívjuk.

Az azonos kémiai viselkedésű atomokat elemeknek hívjuk. Az atom kémiai viselkedését a protonok száma határozza meg. Ezért ezt a számot rendszámnak hívjuk, amely egyértelműen megmutatja melyik elemről van szó. Ezért például teljesen egyenértékű meghatározás ha a 92-es rendszámú elemről, vagy urániumról beszélünk.

Az atomok magfizikai viselkedésénél a protonok száma – tehát a rendszám – mellett a neutronok száma a másik meghatározó mennyiség. A legtöbb elem esetén a neutronok száma különböző lehet. Az azonos rendszámú, de különböző neutronszámú atomokat izotópoknak hívjuk. Egy adott izotópot pontosan meghatároz a rendszám és a nukleonok együttes száma. Utóbbit tömegszámnak hívjuk. Az izotópokat röviden a vegyjelükkel és a bal felső sarokban feltüntetett tömegszámmal szoktuk jelölni. Például a 238U az urán 238-as tömegszámú izotópját jelöli, ami azt jelenti, hogy ebben az izotópban 238 nukleon található. Amennyiben az urán 92-es rendszámát is fel kívánjuk tüntetni, így jelölünk: 23892U.

Az izotópok

Egy elem izotópjai közül azokat nevezzük stabil izotópnak, amelyek atommagja külső beavatkozás nélkül nem változik meg. Instabil, vagy radioaktív izotópnak nevezzük azokat, amelyek atommagja külső beavatkozás nélkül is megváltozhat. Amennyiben ez a spontán változás bekövetkezik, az adott mag radioaktív bomlásáról beszélünk, mivel innentől fogva az eredeti izotóp eltűnik; átalakul egy másik izotóppá. Az atommagok a radioaktív bomlás útján törekszenek stabil magokká alakulni. Ez sokszor csak bomlások sorozatával sikerül.

A ma ismert 112 elemnek több, mint 2500 izotópja létezik. Ezek közül 249 stabil, az összes többi magától elbomlik, azaz radioaktív. A radioaktív bomlás során minden esetben egy vagy több részecskét sugároz ki a mag. A folyamatot, illetve a kibocsátott részecskét radioaktív sugárzásnak hívjuk.

Az alfa-sugárzás

Az alfa-sugárzás során a mag egy négy nukleonból – két proton és két neutron – álló úgynevezett alfa-részecskét bocsát ki. Az alfa-részecske tulajdonképpen azonos a hélium 4-es tömegszámú 42He izotópjával. Alfa-sugárzást csak nagyon nagy, 82-nél nagyobb rendszámú izotópok bocsátanak ki.

Az alfa-sugárzás során a mag tömegszáma néggyel, és (a két kibocsátott protonnak megfelelően) rendszáma kettővel csökken. Erre példa a 22688Ra (rádium) alfa bomlása. A bomlás végterméke a 22286Rn (radon).

Az alfa részecske töltése és tömege igen nagy, ezért erősen roncsolja a közeget, amibe belép, ugyanakkor hatótávolsága nagyon kicsi, akár egy vékony papírlap, vagy az emberi bőr is könnyen elnyeli. Levegőben a hatótávolsága néhány mm. Emiatt igazán csak akkor veszélyes, ha valamilyen módon alfa-sugárzó izotópokat tartalmazó anyag jut szervezetünkbe.

A béta-sugárzás

A béta-sugárzás tipikusan a neutron felesleggel rendelkező atommagok bomlási módja. Ekkor ugyanis egy neutron átalakul protonná, miközben egy elektron keletkezik. Az így felszabaduló energia jelentős részét az elektron mozgási energiája viszi el. Az atomból nagy sebességgel kilépő elektron a béta-részecske. A béta-bomlás során tehát az atom rendszáma egyel nő, tömegszáma viszont változatlan marad, amit a 13755Cs (cézium) bomlásának példáján mutatunk be. A végtermék ekkor a 13756Ba (bárium).

A béta-részecske szintén töltött, de tömege, illetve mozgási energiája jellemzően kisebb az alfa-részecskéénél, ezért az anyaggal gyengébben hat kölcsön. Így roncsoló hatása kisebb az alfa-sugárzásénál, áthatolóképessége viszont nagyobb. Egy vékony alumíniumlemezzel azonban már a béta-sugárzást is le lehet árnyékolni.

A gamma-sugárzás

A gamma-sugárzás annyiban különleges az alfa- és béta-sugárzáshoz képest, hogy nem változtatja meg az atommag összetételét, csak annak állapotát. A radioaktív gamma-sugárzás mindig alfa- vagy béta-bomlás után, illetve azzal egyidőben következik be. Sok esetben ugyanis a bomlás után a keletkezett új mag gerjesztett állapotban marad. A gerjesztett állapot energiatöbbletét aztán azonnal, vagy hosszabb idő után elektromágneses sugárzás formájában adja le. Ez a sugárzás a gamma-sugárzás.

Példánkban a 137m56Ba (bárium) gerjesztett állapotú izotóp (ezt jelöli az “m” index) felesleges energiát gamma-sugárzás formájában adja le.

A gamma-sugárzás, mint elektromágneses sugárzás hasonló jelenség, mint a látható fény. A különbség csupán abban áll, hogy energiája akár milliószorosa is lehet a látható fényrészecskéének.

A gamma-sugárzás töltéssel nem rendelkezik, ezért áthatolóképessége igen nagy, roncsoló képessége azonban kisebb a többi sugárzásénál. Külső sugárforrásként azonban mégis a gamma-források a legveszélyesebbek, mivel leárnyékolásukhoz vastag ólom vagy beton réteg szükséges.

A radioaktivitás

Egyetlen radioaktív atomról sem lehet tudni, hogy pontosan mikor fog elbomlani: egy másodperc, vagy akár egy évezred múlva. Nagyszámú atomra azonban érvényesek bizonyos statisztikai törvények.

A radioaktivitás erősségével kapcsolatos legfontosabb fogalom az aktivitás.

Az aktivitás mértéke egyenlő az adott anyagdarabban egy másodperc alatt átlagosan bekövetkező radioaktív bomlások számával. Mértékegysége a Bq (Becquerel, ejtsd: bekerel). Egy test aktivitása 1 Bq, ha abban másodpercenként átlagosan 1 bomlás történik.

Az aktivitás töménységével kapcsolatos fogalmak a fajlagos aktivitás és az aktivitáskoncentráció.

• A fajlagos aktivitás azt mutatja meg, hogy egységnyi tömegű anyagban hány bomlás következik be másodpercenként. Mértékegysége: Bq/kg, Bq/g, stb.
• Az aktivitáskoncentráció alatt az egységnyi térfogatra jutó aktivitást értjük. Mértékegysége: Bq/l, Bq/m3, stb.

A felezési idő

A felezési idő fogalmának megértéséhez vegyünk egy példát: A trícium, a hidrogén 3-as tömegszámú izotópja (3H) béta-bomló. Ha ma van 10 000 trícium atomunk, és türelmesen várunk, 12,3 év elteltével már csak 5000 db trícium atomunk lesz, ami még nem bomlott el. Ha várunk még további 12,3 évet, tehát összesen 2*12,3=24,6 év elteltével már csak 2500 db, míg 3*12,3=36,9 év múlva csak 1250 db el nem bomlott trícium atomot számolhatunk össze. Azt az időtartamot, ami alatt adott számú radioaktív atom fele elbomlik, felezési időnek nevezzük.

A felezési idő minden radioaktív izotópfajta saját, jellemző tulajdonsága. Az izotópok felezési ideje a másodperc törtrésze és évmilliárdok között mozoghat. Az eddig ismert leghosszabb felezési idejű izotóp a 128Te (tellúr) 1,5*1024 éves felezési idővel, a legrövidebb a 216mRa (rádium) 7*10-9 s (7 ns, azaz 7 nanoszekundum) felezési idővel.

Az aktivitás és a felezési idő kapcsolata könnyen átlátható. Minél több bomlás történik adott számú radioaktív atom esetén, annál hamarabb következik be a magok felének elbomlása. Vagyis az aktivitás fordítottan arányos a felezési idővel. Konkrétan
A=N*ln2 / T1/2 ,
ahol A az aktivitás Becquerelben, N az adott radioaktív atomok száma, ln2 a 2 természetes alapú logaritmusa (ln2=0,6931), T1/2 pedig a felezési idő.

Amennyiben egy baleset során radioaktív anyagok kerülnek ki a környezetbe, eleinte elsősorban a rövid felezési idejű izotópok adhatnak okot az aggodalomra, mivel ezek képviselik eleinte a legnagyobb aktivitást. Tipikus példa erre a 131I (jód). A csernobili atomerőmű baleset után közvetlenül ez az izotóp okozta a legnagyobb sugárterhelést a lakosság körében. 8 napos felezési ideje miatt azonban hamar lebomlott, így egy hónappal a baleset után már elenyésző hatása volt.

A fenti példa is mutatja, hogy hosszabb távon inkább a több éves, évtizedes felezési idejű izotópok bírnak jelentőséggel. Visszatérve a csernobili baleset példájára, napjainkban az egyik legjobban figyelt, a baleset során a környezetbe kikerült radioaktív izotóp a 137Cs (cézium), mivel felezési ideje 30 év.