Radiokémia és izotóptechnika

Tartalom

Előszó és bevezetés az első kiadáshoz..........................................11
Előszó és bevezetés a második kiadáshoz...........................................13
Előszó a harmadik kiadáshoz.....................15
1. Az atommag ..........................................17
1.1. Az atommag alkotórészei ......................................................17
Nukleonok .................................................17
Izotópok, izobárok és izotónok..............................................17
Az atommag mérete és sűrűsége....................................................18
1.2. Az atommag kötési energiája és stabilitása........................19
Stabilitás ........................................................................21
1.3. Magmodellek ...........................................25
Az atommag spinje és mágneses nyomatéka ............................25
Az atommag paritása ......................27
Magerők ...........................27
Modellek .....................................................28
2. Izotópok .....................................................32
2.1. Izotópeffektusok ..................................32
2.1.1. Az izotópeffektusok rendszerezése ........................................32
2.1.2. Izotópeffektus néhány fizikai sajátságban.......................................34
Diffúziós izotópeffektus ............................................................36
Izotópeffektus elektromos és mágneses erőtérben.....................37
2.1.3. Fázisegyensúlyi izotópeffektusok .............................................38
Gőznyomás-izotópeffektusok ........................................38
Szilárd-folyadék izotópeffektus.............................................39
2.1.4. Spektroszkópiai izotópeffektusok ...........................................40
Alkalmazások .........................................41
2.1.5. Reakciókinetikai izotópeffektusok..............................................41
2.1.6. Kémiai egyensúlyi izotópeffektusok................................43
2.1.7. Biokémiai folyamatok izotópeffektusai ..................................45
2.2. Az izotóp-összetétel meghatározása...................................46
2.2.1. Izotópeffektuson alapuló izotóp-összetétel meghatározási módszerek................46
2.2.2. Tömegspektrometria .....................47
Tömeg-spektrográfok és tömegspektrométerek ..............................47
Tömegspektrometriás analízis ....................................................................50
2.3. Izotópdúsítás.............................................52
2.3.1. Az izotópdúsítási módszerekről általában ...................................................52
2.3.2. Fizikai és fizikai-kémiai jelenségeken alapuló izotópdúsítási módszerek .... 53
Centrifugáláson alapuló módszerek..............................................53
Desztilláción alapuló módszerek ...........................................................54
Diffúzión alapuló módszerek .......................................................54
Elektromágneses szétválasztáson alapuló módszerek ........................57
lonmozgékonyságon alapuló módszerek ................................................58
2.3.3. Kémiai jelenségeken alapuló izotópdúsítási módszerek.........................58
Elektrokémiai módszerek ..........................................................................58
Fotokémiai módszerek.......................................................................... 58
Kémiai cserélődésen alapuló módszerek................................................. 59
3. Radioaktivitás, spontán magátalakulások ............................................... 60
3.1. Bevezetés ........................................................................................... 60
3.2. Spontán magátalakulások (Radioaktív bomlások).................................... 62
3.2.1. Izomer átalakulás ................................................................................ 64
3.2.2. A ß-bomlások .................................................................................... 66
A ß- -bomlás és az antineutrínó............................................................. 67
A ß- -sugárzás energiaspektruma .......................................................... 69
A Fermi-elmélet - a gyenge kölcsönhatások elmélete.............................. 69
Pozitronbomlás ................................................................................... 72
Elektronbefogás................................................................................... 72
3.2.3. Az alfa-bomlás .................................................................................... 72
Az alfa-bomlás elmélete.......................................................................... 75
3.2.4. Spontán maghasadás ........................................................................... 77
3.2.5. A természetes radioaktív izotópok ......................................................... 77
A négy radioaktív család....................................................................... 78
3.3. Az egylépéses radioaktív bomlások kinetikája......................................... 83
A bomlás sebessége, aktivitás, részecskeintenzitás, beütésszám ................ 83
A felezési idő, illetve a bomlási állandó meghatározása ........................... 87
Radioaktív keverékek .......................................................................... 89
Összetett radioaktív bomlás .................................................................. 90
3.4. Bomlási sorok .................................................................................... 94
4. A sugárzások kölcsönhatása az anyaggal I. Ionizációs kölcsönhatások ......102
4.1. Általános alapelvek.............................................................................. 102
4.1.1. A kölcsönhatások rendszerezése ........................................................... 102
Osztályozás az anyag halmazállapota alapján .........................................103
A kölcsönhatások osztályozása a mechanizmus alapján............................ 103
Rendszerezés a kölcsönhatások száma és a sugárzás energiaeloszlása alapján......109
4.1.2. Általános összefüggések.......................................................................110
4.2. Ionizáló sugárzások kölcsönhatása az anyaggal .......................................115
4.2.1. A sugárzás energiavesztesége és az ionizáció .........................................115
4.2.2. Az alfa-sugárzás kölcsönhatása az anyaggal............................................... 117
Ionizáció - fékeződés ..........................................................117
Hatótávolság ....................................................................................121
4.2.3. Az elektronsugárzás kölcsönhatása az anyaggal.......................................124
A sugárgyengülés függése az abszorbens rétegvastagságától ....................125
A tömegabszorpciós együttható függése az abszorbens anyagi minőségétől és a sugárzás maximális energiájától............128
A ß- -sugárzás abszorpciós görbéje .......................................................131
Gerjesztés - ionizáció ..........................................................................134
Fékezési röntgensugárzás .....................................................................139
Cserenkov-sugárzás ............................................................................ 141
A ß+ -sugárzás kölcsönhatása az anyaggal; pozitróniumkémia .................. 142
4.2.4. A ß- -sugárzás önabszorpciója és visszaszóródása................................... 143
ß- -sugarak önabszorpciója vastag preparátumrétegben ........................... 143
A ß- -sugárzás visszaszórása ................................................................ 146
4.2.5. A gamma-sugárzás kölcsönhatása az anyaggal ............................151
Compton-szórás .................................................................................. 153
Fotóeffektus ....................................................................................... 162
Párképződés ....................................................................................... 166
4.2.6. A gamma-sugárzás gyengülése és abszorpciója .................................. 167
5. A sugárzások kölcsönhatása az anyaggal II. Mesterséges magátalakítások: magreakciók......................... 176
5.1. A magreakciókról általában................................................................... 176
Az atommag reakciók megmaradási elvei................................................ 177
5.3. Hatáskeresztmetszet, reakciómechanizmus ............................................. 183
5.3.1. A magreakciók végbemenetelének valószínűsége: a hatáskeresztmetszet.... 183
5.3.2. Az atommag reakciók mechanizmusa: az átmeneti mag ............................ 188
5.3.3. Magreakció gamma-fotonnal ............................................... 191
Fotonemisszió .................................................................................... 192
5.3.4. Magreakciók neutronokkal ................................................................... 192
Neutron kilépése a magból ................................................................... 193
5.3.5. Magreakciók töltött részecskékkel (Coulomb-gát).................................... 194
Töltött részecske kilépése a magból ....................................................... 194
5.4. Az aktiválás időtörvényei ..................................................................... 195
5.4.1. Egylépéses magreakciók....................................................................... 195
5.4.2. Többlépéses magreakciók és magátalakulások......................................... 199
5.5. Magreakciók töltött részecskékkel .........................................................206
5.5.1. Magreakciók protonokkal .....................................................................206
5.5.2. Magreakciók deuteronokkal..................................................................207
5.5.3. Termonukleáris reakciók ......................................................................210
5.5.4. Magreakciók a-részekkel .....................................................................210
5.5.5. Reakciók gyorsított nehéz ionokkal........................................................212
5.6. Magreakciók fotonokkal; Mössbauer-effektus.........................................212
5.6.1. Rezonaciafluoreszcencia ......................................................................212
5.6.2. A Mössbauer-effektus ..........................................................................214
A Mössbauer-effektus alkalmazása a kémiai szerkezetkutatásban .............215
5.7. Magreakciók neutronokkal....................................................................216
5.7.1. Rugalmas ütközés................................................................................218
5.7.2. Rugalmatlan szóródás ..........................................................................220
5.7.3. Neutronbefogás ..................................................................................221
5.8. Versengő magreakciók és többszörös magátalakulások............................229
5.8.1. Versengő magreakciók..........................................................................229
5.8.2. Másodlagos (kettős és közvetett) magreakciók........................................233
5.9. Magreakciókkal kapcsolatos kémiai átalakulások....................................237
6. A sugárzások kölcsönhatása az anyaggal III. A sugárzás hatása
az anyagra................................................................................241
6.1. Dozimetria (Vincze Árpád).................................................................241
Dózisegységek ....................................................................................242
6.2. A radioaktív sugárzás kémiai hatása, sugárhatás-kémia............................246
A víz sugárhatás-kémiája......................................................................251
Szervetlen szilárd anyagok sugárhatás-kémiája........................................253
Sugárhatás-kémiai változások kondenzált szerves kémiai rendszerben .............254
6.3. A sugárzások fizikai-kémiai és biokémiai hatása az élő szervezetben ........256
Biokémiai hatás...................................................................................257
A szövetek és a szervek károsodása ......................................................258
7. Radioaktív sugárzások detektálása.........................................................261
7.1. Detektorok .........................................................................................261
7.1.1. A detektálásról általában ......................................................................261
7.1.2. Gázionizációs detektorok I.: Ionizációs kamra és proporcionális
számlálócső .............................................................................262
Az ionizációs kamra.............................................................................264
Proporcionális számláló........................................................................265
7.1.3. Gázionizációs detektorok II.: A Geiger-Müller-(GM-)számláló ................268
A kisülés kialakulása............................................................................270
A kisülés szálmenti terjedése ................................................................271
Töltőgáz, kioltás..................................................................................271
A GM-cső karakterisztikája (plató) .......................................................273
GM-csövek alakjai ...............................................................................274
7.1.4. Szcintillációs detektorok ......................................................................274
A szcintillációs detektálás alapfolyamatai...............................................275
A szcintillátor. A kölcsönhatás mechanizmusa........................................277
A fény átvitel .......................................................................................284
A fotoelektronsokszorozó .....................................................................285
7.1.5. Félvezető és egyéb detektorok...............................................................287
Félvezető detektorok (Simoncsics László)............................................287
Magfizikai emulzió..............................................................................292
Buborékkamrák ...................................................................................293
Ködkamrák .........................................................................................293
Termolumineszcensz detektorok ...........................................................294
Szilárdtest-nyomdetektorok ..................................................................295
7.2. Nukleáris mérőműszerek (Soós János) .................................................295
7.2.1. Elektronikus alapegységek....................................................................295
A detektorok mint elektromos jelforrások...............................................296
Erősítők..............................................................................................297
Tápegységek ......................................................................................299
7.2.2. Mérőberendezések ...............................................................................299
Impulzusszámlálók (scalerek) ...............................................................299
Beütésszám-szintmérők (ratemeterek)....................................................302
Amplitúdódiszkriminátorok ..................................................................303
Sokcsatornás mérőberendezések ...........................................................304
Koincidencia - antikoincidencia berendezések........................................307
A nukleáris mérőberendezések "jósága".................................................308
7.3. Radioizotópok méréstechnikája.............................................................310
7.3.1. A bomlás statisztikus jellege. A mérések reprodukálhatósága és
pontossága ...............................................................................310
A mérések pontossága és reprodukálhatósága, figyelembe véve a
radioaktív bomlás statisztikus jellegét .........................................310
A nukleáris méréstechnika véletlen hibalehetőségei.................................311
Az impulzus- (részecske-)számlálás szórása ..........................................315
Kumulatív hibák..................................................................................316
A háttér okozta hiba figyelembevétele....................................................317
A mérőeszköz "jósága".........................................................................319
A ratemeteres mérés hibái.....................................................................321
7.3.2. Az aktivitásmérés rendszeres hibáinak meghatározása. Az abszolút
és relatív aktivitás meghatározása ...............................................324
Felezési idő mérése..............................................................................327
Abszorpciós mérések ....................................................................328
7.3.3. Az egyes sugárzásfajták detektálása.......................................................328
Az alfa-sugárzás detektálása.....................................................................328
A ß- -sugárzás detektálása.....................................................................329
A gamma-sugárzás detektálása ......................................................................331
Neutrondetektálás................................................................................334
7.3.4. Gamma-spektroszkópia ................................................................................338
Szcintillációs gamma-spektroszkópia.............................................................339
Koincidencia gamma-spektroszkópia..............................................................349
Gamma-spektroszkópia félvezető detektorokkal...............................................350
7.3.5. Dózismérő berendezések ......................................................................352
Kaloriméterek ....................................................................................352
Ionizációs kamrák................................................................................352
Filmdoziméterek..................................................................................352
Kémiai doziméterek.............................................................................354
Nyomdetektorok .................................................................................355
Termolumineszcensz (TL) doziméterek..................................................355
Dózisteljesítményt mérő eszközök (szintmérők)......................................356
8. Sugárvédelem (Vincze Árpád).............................................................358
8.1. Megengedhető dózisszintek ..................................................................358
A megengedhető maximális dózis fogalma és kiterjesztése különböző
típusú besugárzásokra ...............................................................360
Dózishatárértékek és a vonatkozási szintek rendszere ..............................363
Az inkorporáció mechanizmusa, inkorporálható mennyiségek ..................365
A megengedhető maximális szennyeződések..........................................367
8.2. Védekezés külső sugárforrások sugárzása ellen.......................................368
Alfa-sugárzás .........................................................................................369
ß-sugárzás .........................................................................................369
Gamma-sugárzás .........................................................................................369
Neutronsugárzás .....................................................................................
8.3. Munkavédelmi előírások és szabályok....................................................372
Hulladékkezelés...................................................................................374
9. A radioaktív izotópok alkalmazásának alapjai .........................................375
9.1. Általános vonatkozások........................................................................375
A radioizotópok mint indikátorok..........................................................375
Az indikátor kiválasztása......................................................................377
A jelzés módja ....................................................................................378
Néhány gyakran alkalmazott radioindikátor............................................380
9.2. Izotóphigítás .......................................................................................381
9.3. Izotópcsere .......................................................................................386
9.3.1. A homogén izotópcsere kinetikája..........................................................388
Egyszerű izotópcsere-reakciók .............................................................388
Komplex izotópcserés reakciók .............................................................391
9.3.2. Az izotópcsere mechanizmusai .............................................................395
Asszociáció ........................................................................................395
Disszociáció .......................................................................................395
Elektronátadás ....................................................................................396
9.3.3. Heterogén izotópcsere ..........................................................................396
9.4. Radioaktív izotópok alkalmazása a diagnosztikában (Tóth Géza)............400
9.4.1. In vitro radioizotópos eljárások .............................................................400
A tiroxinkötő globulin (thyroxine binding globulin, TBG)
kötőkapacitásának mérése..........................................................400
Kompetitív fehérjekötési analízis (competitive protein binding assay, CPBA) .......404
Radioimmunanalitikai eljárások ............................................................405
Radioreceptorassay ..............................................................................414
A ligandassayk csoportosítása...............................................................415
A ligandassayvel meghatározható vegyületek .........................................419
Radioizotóppal jelzett ligandumok előállítása .........................................419
9.4.2. In vivo radioizotópos eljárások ..............................................................425
Az in vivo radioizotópos diagnosztikában alkalmazott nyomjelzők............426
Izotópgenerátorok (Környei József) ....................................................429
A radioaktív nyomjelzők alkalmazása....................................................432
A radioaktív nyomjelzők mérése ...........................................................433
Sugárterhelés ....................................................................................434
9.5. Radiometria, elemzés radioaktív reagenssel ............................................435
Radiometriás titrálás ............................................................................436
9.6. Aktivációs analízis...............................................................................439
9.7. 14C és 3H izotópokkal jelzett szerves vegyületek előállításának
alapelvei (Szarvas Tibor).........................................................441
9.7.1. Jelzett szerves vegyületek jellemzése.....................................................442
9.7.2. Jelzés 14C-gyel....................................................................................443
A radioszén előállítása..........................................................................443
A 14C-izotóppal jelzett szerves vegyületek előállításának alapelvei...........444
14C-izotóppal jelzett szerves vegyületek előállításának módszerei.............444
9.7.3. A trícium (3H) beépítése a szerves vegyületekbe.....................................451
Függelék .......................................................................................................457
F.l. Atomreaktorok ....................................................................................458
F. 1.1. Az atomreaktorok felépítése, az üzemanyag............................................461
F.l.2. A moderátor .......................................................................................462
F.l.3. Az atomreaktor működése ....................................................................463
F.l.4. Reaktormérgek....................................................................................467
F.l.5. Jelenleg üzemelő reaktortípusok............................................................468
F.l.6. Reaktorbalesetek (Zagyvai Péter) .....................................................474
F.2. Gyorsítóberendezések ..........................................................................479
F.2.1. Sztatikus gyorsítók ..............................................................................479
F2.2. Ciklotron ............................................................................................480
F2.3. Radioaktív izotópok előállítása gyorsítókkal...........................................482
F.3. Roncsolásmentes nukleáris módszerek ipari alkalmazásai ........................483
F.3.1. Abszorpciós módszerek .......................................................................483
F.3.2. (Vissza)szóráson alapuló módszerek......................................................489
F.3.3. Defektoszkópia, radiográfia ..................................................................493
F.3.4. (Elem)analitikai módszerek ..................................................................496
F.3.5. Egyéb módszerek ................................................................................500
F.3.6. Radioizotópos szabályozás....................................................................503
F.4. Radiokémiai kislexikon........................................................................506
F.5. Táblázatok .........................................................................................516
Felhasznált és javasolt irodalom.......................................................................575
Tárgy és névmutató ...........................................................................................583

Témakörök