ΡΑΔΙΟΧΗΜΕΙΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. ΝΟΥΚΛΙΔΙΑ 3. ΕΙΔΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΩΝ. ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ ΤΟΞΙΚΟΤΗΤΑ ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΩΝ ΙΣΟΤΟΠΩΝ Τμήμα Χημικών Μηχανικών

ΡΑΔΙΟΧΗΜΕΙΑ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ ΤΟΞΙΚΟΤΗΤΑ ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΩΝ ΙΣΟΤΟΠΩΝ Τμήμα Χημικών Μηχανικών ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. ΝΟΥΚΛΙΔΙΑ 3. ΕΙΔΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΩΝ Ιωάννα Δ. Αναστασοπούλου Βασιλική Δρίτσα

ΑΔΕΙΑ ΧΡΗΣΗΣ Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άδεια χρήσης άλλου τύπου, αυτή πρέπει να αναφέρεται ρητώς.

2.3 ΕΙΔΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΩΝ 3 Στις αρχές του 19 ου αιώνα οι επιστήμονες διατύπωσαν την άποψη ότι το άτομο αποτελείται από θετικά και αρνητικά φορτισμένα σωματίδια. Ο Rutherford προκειμένου να επιβεβαιώσει αν ίσχυε ή όχι η άποψη αυτή πρότεινε το 1911 να χρησιμοποιηθούν τα ραδιενεργά στοιχεία ώστε από τις μεταπτώσεις τους να καταλήξουν σε ασφαλές συμπέρασμα. Ο Rutherford στηριζόμενος στα πειράματα σκέδασης των Geiger και Marsden που προκάλεσαν στα προϊόντα ραδιενεργού υλικού, από φύλλο χρυσού πάχους 0,00004 cm, διατύπωσε με βάση την απόκλιση ότι σχεδόν όλο το άτομο αποτελείτο από κεντρικό φορτίο συγκεντρωμένο σε ένα κεντρικό σημείο. Το σημείο αυτό το ονόμασε πυρήνα. Ο πυρήνας έχει ακτίνα περίπου 10-13 μέχρι 10-12 cm, ενώ η ακτίνα ολοκλήρου του ατόμου κυμαίνεται μεταξύ 10-8 και 10-7 cm. Από την εκτροπή των σωματιδίων διατύπωσε ότι από το άτομο εκπέμπονται ακτίνες α με θετικό φορτίο και ακτίνες β με αρνητικό φορτίο. Το 1920 ο Rutherford προτείνει ότι το άτομο αποτελείται και από άλλο σωματίδιο, το οποίο είναι ηλεκτρικά ουδέτερο, το νετρόνιο. Δώδεκα χρόνια αργότερα (1932) ο Chadwick αποδεικνύει πειραματικά την παρουσία του νετρονίου. Ήδη από το 1936 τα νετρόνια χρησιμοποιήθηκαν στην αναλυτική χημεία (νετρονική ενεργοποίηση, neutron activation analysis, ΝΑΑ).

4 2.3.1 ΑΚΤΙΝΕΣ Α Ή ΔΙΑΣΠΑΣΗ Α Οι ακτίνες α, από άποψη δομής αντιστοιχούν σε πυρήνες ηλίου ( 24 He), που αποτελείται από δύο πρωτόνια και δύο νετρόνια. Παράγονται ως προϊόντα διάσπασης των ραδιοϊσοτόπων. Έτσι για παράδειγμα μπορεί να αναφερθεί η παραγωγή ακτίνων α κατά την μετατροπή του ραδιονουκλιδίου 241 Am (αμερίκιο) στο θυγατρικό νουκλίδιο 237 Np (ποσειδώνιο): (2.4) Η αποβολή από το άτομο του 241 Am μίας ακτίνας α συνεπάγεται μείωση της μάζας κατά δύο πρωτόνια και δύο νετρόνια, δηλαδή μείωση της μάζας κατά τέσσερα. Παράλληλα με την μείωση της μάζας και το φορτίο μειώνεται κατά δύο μονάδες. Ο Fajans διαπίστωσε την άποψη ότι εκπομπή ακτίνων α συνεπάγεται μετακίνηση του θυγατρικού στοιχείου κατά δύο τετράγωνα διαγώνια από δεξιά προς τα αριστερά του μητρικού νουκλιδίου στην θέση του Περιοδικού Πίνακα, όπως θα φανεί παρακάτω (Σχήμα 2. 12).

2.3.1 ΑΚΤΙΝΕΣ Α Ή ΔΙΑΣΠΑΣΗ Α 5 Σχήμα 2.6. Σχηματική παράσταση της διάσπασης του 241 Am. Οι ακτίνες α και γ που εκπέμπονται εκφράζονται % και η ενέργειά τους σε MeV. Ο κάθετος άξονας εκφράζει την ενέργεια και ο οριζόντιος τον ατομικό αριθμό.

6 2.3.1 ΑΚΤΙΝΕΣ Α Ή ΔΙΑΣΠΑΣΗ Α Τα θυγατρικά νουκλίδια που παράγονται με εκπομπή ακτίνων α συνήθως είναι ασταθή και με περαιτέρω εκπομπή ακτίνων α μεταπίπτουν σε άλλα θυγατρικά νουκλίδια. Έτσι ξεκινώντας από ένα αρχικό ραδιοϊσότοπο μπορούμε να λάβουμε ως προϊόντα διάσπασης μίγμα διαφορετικών ροδιοϊσοτόπων ενός ραδιονουκλιδίου. Θεωρητικά πυρήνες με μαζικό αριθμό μεγαλύτερο από 150 είναι ασταθείς και εκπέμπουν ακτίνες α. Στην πράξη διαπιστώθηκε ότι η κατάσταση αυτή ισχύει για Ζ μεγαλύτερο από 83. Μερικά μόνον φυσικά στοιχεία που ανήκουν στις σπάνιες γαίες εκπέμπουν ακτίνες α, όπως το 144 Nd, 147 Sm και 148 Sm. Οι ακτίνες α δεν έχουν μεγάλη διεισδυτικότητα. Έχει υπολογισθεί ότι οι ακτίνες α που παράγονται από το Am με μέση ενέργεια 5,5 MeV διατρέχουν στον αέρα, με κανονικές συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας (STP), απόσταση 3,9 cm.

2.3.1 ΑΚΤΙΝΕΣ Α Ή ΔΙΑΣΠΑΣΗ Α 7 Ο χρόνος ημιζωής των στοιχείων που εκπέμπουν ακτίνες α δεν είναι για όλα τα στοιχεία ίδιος αλλά κυμαίνεται από λίγα δευτερόλεπτα μέχρι 10 15 χρόνια. Η ενέργεια έχει μικρότερες αποκλίσεις και κυμαίνεται μεταξύ 2 και 7 MeV. Υπάρχει όμως αντίστροφη σχέση εξάρτησης του χρόνου ημιζωής και της ενέργειας των ακτίνων α. Ο Rutherford διατύπωσε το 1906 την παρατήρηση αυτή, αλλά αργότερα οι Geiger και Nuttall εξέφρασαν μαθηματικά την σχέση αυτή, όπως φαίνεται στον τύπο: (2.5) Από τον τύπο (2.5) εξάγεται το συμπέρασμα ότι όσο μεγαλύτερη είναι η ενέργεια των ακτίνων α τόσο μικρότερος είναι ο χρόνος ημιζωής. Για παράδειγμα το 216 Rn που έχει ενέργεια 0,85 MeV έχει χρόνο ημιζωής 45IS. Αντίθετα για το νομπέλιο ( 144 Nd) που η ενέργειά του είναι 1,83 MeV, ο χρόνος ημιζωής ανέρχεται σε 2,1x10 15 χρόνια.

2.3.2 ΑΚΤΙΝΕΣ Β (ΑΡΝΗΤΙΚΑ ΣΩΜΑΤΙΑ, NEGATRON, B) 8 Ή ΔΙΑΣΠΑΣΗ Β Οι ακτίνες β ή αρνητικά σωμάτια β - (negatron) είναι ηλεκτρόνια που εκπέμπονται κατά την διάσπαση των ραδιοϊσοτόπων. Η εκπομπή ακτίνων β εξαρτάται από την σταθερότητα του ραδιονουκλιδίου, η οποία με την σειρά της είναι συνάρτηση του λόγου νετρόνιο προς πρωτόνιο (n/p). Η αστάθεια του πυρήνα, δηλαδή απόκλιση του λόγου n/p από την μονάδα, εκφράζει την μετατροπή ενός νετρονίου σε πρωτόνιο με την ταυτόχρονη παραγωγή ενός ηλεκτρονίου. Όταν η απόκλιση είναι μεγαλύτερη από την μονάδα, τότε παράγεται ακτίνα β σύμφωνα με την εξίσωση: (2.6) Το παραγόμενο ηλεκτρόνιο δεν μπορεί να παραμείνει στο άτομο και έτσι εκπέμπεται ως ακτινοβολία β. Στο Σχήμα 2. 7 φαίνεται η ενεργειακή κατανομή της ενέργειας των ακτίνων β. Για παράδειγμα το τρίτιο ( 3 Η) με εκπομπή ενός ηλεκτρονίου μεταπίπτει σε άτομο ηλίου σύμφωνα με την αντίδραση (2.7). (2.7)

2.3.2 ΑΚΤΙΝΕΣ Β (ΑΡΝΗΤΙΚΑ ΣΩΜΑΤΙΑ, NEGATRON, B) 9 Ή ΔΙΑΣΠΑΣΗ Β Η τιμή των 0,018 MeV είναι η μέγιστη ενέργεια των παραγομένων σωματιδίων β και συμβολίζεται ως E m. Ο πυρήνας του ασταθούς τρίτιου αποτελείται από 2 νετρόνια και ένα πρωτόνιο. Η μετατροπή του νετρονίου σε πρωτόνιο γίνεται με μεταφορά φορτίου, ενώ η μάζα παραμένει σταθερή. Ο Fajans διαπίστωσε ότι το θυγατρικό στοιχείο θα καταλάβει θέση στον Περιοδικό Πίνακα από αριστερά προς τα δεξιά του μητρικού κατά ένα τετράγωνο. Πρέπει να τονισθεί ότι η ενέργεια των εκπεμπόμενων ακτίνων β δεν είναι μοναδιαία, αλλά καλύπτει ένα ευρύ ενεργειακό φάσμα, χαρακτηριστικό του κάθε νουκλιδίου. Όπως φαίνεται από το Σχήμα 2.7 η πλειοψηφία των ακτίνων β έχει ενέργεια που αντιστοιχεί στο 1/3 της E m. Μόνον ένας πολύ μικρός αριθμός ακτίνων β κατέχει την μέγιστη ενέργεια. Οι Fermi και Pauli προκειμένου να ερμηνεύσουν το φαινόμενο αυτό δέχθηκαν ότι η εκπομπή ακτίνων β συνοδεύεται με παραγωγή νέτρινων, τα οποία έχουν μηδενική μάζα ηρεμίας. Τα ηλεκτρόνια συγκρινόμενα με ακτίνες α της ίδιας ενέργειας, λόγω του μικρότερου ηλεκτρικού φορτίου και της σχεδόν μηδαμινής μάζας τους διανύουν στον αέρα μεγαλύτερη απόσταση, αφού αποκτούν μεγαλύτερη ταχύτητα.

2.3.2 ΑΚΤΙΝΕΣ Β (ΑΡΝΗΤΙΚΑ ΣΩΜΑΤΙΑ, NEGATRON, B) 10 Ή ΔΙΑΣΠΑΣΗ Β Σχήμα 2.7. Ενεργειακό φάσμα ακτίνων β

2.3.3 ΠΟΖΙΤΡΟΝΙΑ (Β+) Ή ΔΙΑΣΠΑΣΗ- Β+ 11 Τα ποζιτρόνια είναι σωματίδια που φέρουν θετικό φορτίο ίσο με την μονάδα και μάζα ίση με την μάζα του ηλεκτρονίου ή της ακτίνας β. Για πρώτη φορά αναφέρθηκαν από τον C.D. Anderson το 1932, αν και ο Dirac το 1930 βασιζόμενος σε θεωρητικούς υπολογισμούς είχε προτείνει την παρουσία τους στον πυρήνα του ατόμου. Πολλές φορές τα ποζιτρόνια αναφέρονται ως θετικά ηλεκτρόνια. Τα ποζιτρόνια εκπέμπονται από πυρήνες, όπου ο λόγος αστάθειας n/p είναι πάρα πολύ μικρότερος της μονάδας. Στην περίπτωση αυτή ένα πρωτόνιο μετατρέπεται σε νετρόνιο με την σύγχρονη παραγωγή ενός νέτρινου: Το φαινόμενο παραγωγής ενός ποζιτρονίου είναι αντίστροφο εκείνου της παραγωγής ηλεκτρονίου. Για να παραχθεί ποζιτρόνιο πρέπει η ενέργεια μετάπτωσης του μητρικού πυρήνα να είναι αρκετά μεγαλύτερη από 1,02 MeV. (2.8)

2.3.3 ΠΟΖΙΤΡΟΝΙΑ (Β+) Ή ΔΙΑΣΠΑΣΗ- Β+ 12 Η γενική αντίδραση που διέπει την μετάπτωση ενός μητρικού στοιχείου Μ στο θυγατρικό Θ με εκπομπή ποζιτρονίου είναι η παρακάτω: όπου Μ = μητρικό στοιχείο και Θ = θυγατρικό στοιχείο Κλασσική αντίδραση παραγωγής ποζιτρονίου είναι η επίσης μετατροπή του κοβαλτίου ( 58 Co) σε σίδηρο ( 58 Fe): (2.9) (2.10) Από την εξίσωση (2.10) φαίνεται καθαρά ότι η μάζα του σιδήρου που παράγεται είναι ίση με αυτή του κοβαλτίου, αλλά ο ατομικός αριθμός μεταβλήθηκε κατά μία μονάδα (ελάττωση). Τα ποζιτρόνια, λόγω της παραγωγής νέτρινων, παρουσιάζουν ένα ευρύ ενεργειακό φάσμα, όμοιο με εκείνο των ακτίνων β (Σχήμα2.7). Συνήθως η εκπομπή νέτρινου συνοδεύεται με εκπομπή και ακτίνων γ, εφόσον το θυγατρικό ισότοπο είναι σε διηγερμένη κατάσταση. Στην εκπομπή ποζιτρονίου το θυγατρικό στοιχείο θα βρίσκεται προς τα αριστερά του μητρικού, αφού έχει μαζικό αριθμό κατά μία μονάδα μικρότερο.

2.3.3 ΠΟΖΙΤΡΟΝΙΑ (Β+) Ή ΔΙΑΣΠΑΣΗ- Β+ 13 Σχήμα 2.8. Τμήμα του Πίνακα νουκλιδίων με τη σχετική θέση μερικών σταθερών ισοτόπων (σκιαγραμμισμένα) και ραδιοϊσοτόπων. Ζ= αριθμός πρωτονίων και Ν= αριθμός νετρονίων. Στο Σχήμα 2. 8 δίνεται ένα τμήμα του Περιοδικού Πίνακα των ραδιονουκλιδίων, όπου μεταβάλλεται ο λόγος n/p. Παρατηρείται για παράδειγμα ότι το ισότοπο του 12 C με ατομικό αριθμό 6 και αριθμό νετρονίων 6, έχει λόγο n/p =1 και είναι σταθερό. Όμως ο πυρήνας του 12 Ν έχει ατομικό αριθμό 7 και αριθμό νετρονίων 5 και επομένως λόγο σταθερότητας 5/7<1. Επομένως για να μεταβεί στο σταθερό ισότοπο 12 C εκπέμπει ακτίνα β+, όπως δείχνει το βέλος. Η μετατροπή του 12 Ν σε 12 C φαίνεται στην αντίδραση (2.11): (2.11)

2.3.3 ΠΟΖΙΤΡΟΝΙΑ (Β+) Ή ΔΙΑΣΠΑΣΗ- Β+ 14 Αντίθετα, στην περίπτωση του 12 Β που έχει ατομικό αριθμό 5 και διαθέτει 7 νετρόνια, ο λόγος σταθερότητας είναι 7/5>1 και επομένως εκπέμπει ακτίνες β, σύμφωνα με την αντίδραση (2.12): (2.12) Με τον ίδιο τρόπο ερμηνεύεται και η μετατροπή του 13 Ν και 13 B στο σταθερό ισότοπο 13 C. Ένας μηχανισμός αύξησης του λόγου n/p είναι η απορρόφηση ή σύλληψη ενός ηλεκτρονίου από την στοιβάδα Κ ή L. Το απορροφούμενο ηλεκτρόνιο αντιδρά με ένα πρωτόνιο και σχηματίζει ένα νετρόνιο: (2.13) Στην περίπτωση αυτή η ραδιενεργός διάσπαση λέγεται σύλληψη ηλεκτρονίου (EC, Electron Capture) ή διάσπαση Κ, επειδή τις πιο πολλές φορές η σύλληψη του ηλεκτρονίου γίνεται από την στοιβάδα Κ. Η στοιβάδα Κ έχει μεγαλύτερη ηλεκτρονιακή πυκνότητα και επειδή βρίσκεται πλησιέστερα στον πυρήνα αυξάνει η πιθανότητα σύλληψης. Η σύλληψη ενός ατομικού ηλεκτρονίου από τον πυρήνα συνεπάγεται την δημιουργία κενού στην αντίστοιχη ηλεκτρονιακή στοιβάδα, η οποία πληρούται με ηλεκτρόνιο εξωτερικής στοιβάδας.

2.3.3 ΠΟΖΙΤΡΟΝΙΑ (Β+) Ή ΔΙΑΣΠΑΣΗ- Β+ 15 Η μετακίνηση αυτή ενός ηλεκτρονίου από εξωτερική στοιβάδα προς το κενό συνοδεύεται με εκπομπή ακτίνων X. Σύλληψη ηλεκτρονίων από τροχιακά L είναι δυνατόν να συμβεί, αλλά συνήθως παρατηρείται σε βαρείς πυρήνες. Σύλληψη ηλεκτρονίων από υψηλότερα τροχιακά έχει μικρότερη πιθανότητα να λάβει χώρα. Στο Σχήμα 2.9 δίνεται σχηματικά το φαινόμενο της σύλληψης ηλεκτρονίων και παραγωγής ακτίνων X. Σχήμα 2.9. Σχηματική παράσταση σύλληψης ηλεκτρονίου (ΣΗ) με σύγχρονη εκπομπή ακτίνων γ και Χ ή εσωτερική ακτινοβολία.

2.3.3 ΠΟΖΙΤΡΟΝΙΑ (Β+) Ή ΔΙΑΣΠΑΣΗ- Β+ 16 Για την περιγραφή της μετάβασης ενός ηλεκτρονίου στο κενό μιας άλλης στοιβάδας χρησιμοποιούμε το γράμμα της στοιβάδας στην οποία μεταβαίνει (K,L,M, κ.λπ.) με δείκτη τα γράμματα της ελληνικής αλφαβήτου (α,β,γ) για να δηλώσουν τον αριθμό των εξωτερικών στοιβάδων που διέρχεται μέχρι την τελική κατάσταση. Έτσι η ακτίνα X που προκύπτει από την μετάβαση ενός ηλεκτρονίου από την στάθμη L στην στάθμη K συμβολίζεται ως Κ α. Αν η ακτίνα X προέρχεται με μετάβαση από την στάθμη Μ στην στάθμη Κ, τότε συμβολίζουμε Κ β. Επίσης αν η συμπλήρωση του κενού της στοιβάδας L γίνεται από ηλεκτρόνια των σταθμών Μ, Ν και Ο, τότε η παραγόμενη ακτίνα συμβολίζεται ως: L α, L β, L γ, αντίστοιχα. Επειδή η ακτίνα X που εκπέμπεται είναι χαρακτηριστική για το στοιχείο από όπου προέρχεται συνηθίζεται να γράφεται πριν από το γράμμα X το στοιχείο. Για παράδειγμα η ακτίνα X που εκπέμπεται από τον υδράργυρο περιγράφεται ως: HgLX. Η προέλευση των ακτίνων X που εκπέμπονται από τα στοιχεία είναι δύσκολο να καθορισθεί αν προέρχεται από το φαινόμενο της σύλληψης ηλεκτρονίων ή από ηλεκτρόνια Auger, που οφείλονται στο φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Τα ηλεκτρόνια Auger μπορούν να προκύψουν από οιαδήποτε ηλεκτρονιακή στοιβάδα.

2.3.3 ΠΟΖΙΤΡΟΝΙΑ (Β+) Ή ΔΙΑΣΠΑΣΗ- Β+ 17 Η γενική μορφή της σύλληψης ηλεκτρονίου και παραγωγής ακτίνων X ή ηλεκτρονίων Auger δίνεται από την παρακάτω εξίσωση: όπου Μ=μητρικό και Θ=θυγατρικό στοιχείο (2.14) Η σύλληψη ηλεκτρονίου μερικές φορές ανταγωνίζεται την εκπομπή ποζιτρονίου, με αποτέλεσμα το νουκλίδιο να μεταπίπτει στο θυγατρικό είτε με εκπομπή β - είτε με β+. Π.χ. κατά την διάσπαση του 22 Na επικρατέστερη (κατά 90%) είναι η εκπομπή ποζιτρονίου, ενώ μόνο κατά 10% έχουμε σύλληψη ηλεκτρονίου: (2.15) (2.16)

2.3.3 ΠΟΖΙΤΡΟΝΙΑ (Β+) Ή ΔΙΑΣΠΑΣΗ- Β+ 18 Στην περίπτωση όμως του ψευδαργύρου η σύλληψη ηλεκτρονίου επικρατεί της εκπομπής ποζιτρονίου. και (2.17) (2.18) Το ποζιτρόνιο συμπεριφέρεται όπως και το ηλεκτρόνιο, αφού διαφέρουν μεταξύ τους μόνον ως προς το φορτίο. Όταν το ποζιτρόνιο χάσει μετά από πολλαπλές κρούσεις την κινητική του ενέργεια, μπορεί να αντιδράσει με ένα ηλεκτρόνιο. Στην περίπτωση αυτή λαμβάνει χώρα το φαινόμενο της εξαΰλωσης, δηλαδή μετατροπή της μάζας σε ενέργεια. Είναι σημαντικό να τονισθεί ότι η σύλληψη ηλεκτρονίου και η μετάπτωση ποζιτρονίου καταλήγουν στο ίδιο θυγατρικό νουκλίδιο. Έτσι ο ατομικός αριθμός μεταβάλλεται κατά μία μονάδα, ενώ ο μαζικός παραμένει σταθερός.

19 2.3.3 ΠΟΖΙΤΡΟΝΙΑ (Β+) Ή ΔΙΑΣΠΑΣΗ- Β+ Η διάσπαση ενός νουκλιδίου με εκπομπή ποζιτρονίου λαμβάνει χώρα, μόνον όταν η ενέργεια είναι αρκετά μεγαλύτερη από 1,02 MeV. Αυτό συμβαίνει επειδή παράγονται δύο ηλεκτρόνια με αντίθετα φορτία (β+, β - ) των οποίων η ενέργεια είναι ίση με 0,51 MeV (2m e, μάζα του ηλεκτρονίου). Είναι δυνατόν ένα ζεύγος ηλεκτρονίου-ποζιτρονίου να σχηματίσει μία ενεργειακή κατάσταση τέτοια, ώστε να είναι ίδια με ένα στοιχείο, το οποίο ονομάζεται ποζιτρόνιουμ (Ps) άτομο. Ο σχηματισμός του ποζιτρόνιουμ εξαρτάται από το μέσον στο οποίο βρίσκεται το ζεύγος e+- e -. Το άτομο (Ps) μπορεί να θεωρηθεί ως ένα ελαφρύ ισότοπο του υδρογόνου με το ποζιτρόνιο να κατέχει την θέση του πυρήνα. Αν τα spin είναι παράλληλα τότε λέγεται ορθο-(ps), ενώ αν είναι αντιπαράλληλα καταλήγει σε παρα-(ps). Η όρθο- δομή έχει χρόνο ημιζωής 10-7 s, ενώ η παρα- έχει χρόνο ημιζωής 10-10 s. Πρέπει να τονισθεί ότι το θυγατρικό προϊόν που προκύπτει από εκπομπή ποζιτρονίου ή από σύλληψη ηλεκτρονίου είναι ίδιο. Αυτό σημαίνει ότι το Ζ μειώνεται κατά μία μονάδα χωρίς μεταβολή του Α.

2.3.4 ΕΣΩΤΕΡΙΚΗ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ 20 Η διάσπαση με εσωτερική μετατροπή είναι αποτέλεσμα της εκπομπής ενός ατομικού ηλεκτρονίου. Το ηλεκτρόνιο αυτό, που ονομάζεται και ηλεκτρόνιο εσωτερικής μετατροπής εκπέμπεται από ένα άτομο μετά από απορρόφηση της ενέργειας διεγέρσεως ενός πυρήνα. Αντί δηλαδή το άτομο κατά την αποδιέγερση να εκπέμψει ακτίνες γ και να μεταπέσει στο αντίστοιχο ραδιοϊσότοπο, προσδίδει την ενέργεια σε ένα ηλεκτρόνιο της στοιβάδας Κ. Η κινητική ενέργεια του εκπεμπόμενου ηλεκτρονίου ισούται με την διαφορά της εκπεμπόμενης ενέργειας του πυρήνα (διαφορά της ενέργειας από την διηγερμένη κατάσταση στην βασική κατάσταση) μείον την ενέργεια σύνδεσης του ηλεκτρονίου, (2.19) όπου Ε α είναι η ενέργεια του πυρήνα στην διηγερμένη κατάσταση, Ε ο η ενέργεια στην βασική κατάσταση και Ε σ η ενέργεια σύνδεσης του ηλεκτρονίου στο άτομο. Η ενέργεια (Ε α -Ε ο ) συνδέεται κανονικά με την παραγόμενη ακτίνα γ.

2.3.4 ΕΣΩΤΕΡΙΚΗ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ 21 Επειδή η εκπομπή ενός ηλεκτρονίου εσωτερικής μετατροπής ανταγωνίζεται την παραγωγή ακτίνων γ, λόγω της διηγερμένης κατάστασης αρκετοί ραδιενεργοί πυρήνες οι οποίοι εκπέμπουν ακτίνες γ εκπέμπουν συγχρόνως και ηλεκτρόνια εσωτερικής μετατροπής. Ο βαθμός ανταγωνισμού παραγωγής ηλεκτρονίων εσωτερικής μετατροπής ως προς την παραγωγή ακτίνων γ εκφράζεται με τον συντελεστή εσωτερικής μετατροπής. Ο συντελεστής εσωτερικής μετατροπής είναι ο λόγος του ρυθμού παραγωγής ηλεκτρονίων μετατροπής προς τον ρυθμό εκπομπής ακτίνων γ της αυτής ενέργειας. Ο συντελεστής εσωτερικής μετατροπής δίνεται από τη σχέση: (2.20) Η εκπομπή των ηλεκτρονίων μπορεί να γίνει από συγκεκριμένες στοιβάδες του ατόμου, οπότε συμβολίζεται α i όπου i=k,l,m, ανάλογα από την ηλεκτρονιακή στοιβάδα που εκπέμπεται το ηλεκτρόνιο. Δεδομένου ότι η εκπομπή ενός ηλεκτρονίου δημιουργεί κενό, συνεπάγεται την μετάβαση ενός άλλου ηλεκτρονίου από εξωτερική στοιβάδα μεγαλύτερης ενέργειας προς την εσωτερική, με αποτέλεσμα την παραγωγή ακτίνων X.

2.3.4 ΕΣΩΤΕΡΙΚΗ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ 22 Τα ηλεκτρόνια εσωτερικής μετατροπής αντιστοιχούν με τις β ακτινοβολίες. Η διαφορά τους συνίσταται στον τρόπο προέλευσης. Έτσι οι ακτίνες β εκπέμπονται από τον πυρήνα, ενώ τα ηλεκτρόνια μετατροπής από τις ηλεκτρονιακές στοιβάδες K, L,M... του ατόμου. Μία άλλη διαφορά μεταξύ ακτίνων β και ηλεκτρονίων μετατροπής βρίσκεται στο ενεργειακό τους φάσμα. Όπως προαναφέρθηκε το ενεργειακό φάσμα των ακτίνων β είναι ευρύ (Σχήμα 2.6), ενώ τα ηλεκτρόνια μετατροπής έχουν συγκεκριμένη ενέργεια, που εξαρτάται από την ενέργεια των φωτονίων γ, όπως φαίνεται και από τη σχέση (2. 20). Μεγάλη τιμή του συντελεστή μετατροπής δεν συνεπάγεται απαραίτητα και μεγάλο ποσοστό εκπομπής ηλεκτρονίων μετατροπής, επειδή μπορεί η ενέργεια των εκπεμπόμενων ακτίνων γ να είναι πολύ μικρή. Το μεγάλο ποσοστό εκπεμπόμενων ηλεκτρονίων μετατροπής για μερικά νουκλίδια είναι ένας δείκτης ανίχνευσης του συγκεκριμένου νουκλιδίου. Για παράδειγμα μπορεί να αναφερθεί η περίπτωση των νουκλιδίων 203 Hg, όπου το 80% εκπέμπει ακτίνες γ με ενέργεια 0,279 MeV. Από αυτά τα νουκλίδια μόνο το 23% (α=0,23) εκπέμπει την ενέργεια ως ηλεκτρόνια μετατροπής με ενέργεια 0,275 MeV.

23 2.3.5 ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΑ AUGER Τα ηλεκτρόνια Auger είναι το ατομικό ανάλογο των ηλεκτρονίων εσωτερικής μετατροπής. Όπως αναφέρθηκε, τα ηλεκτρόνια εσωτερικής μετατροπής δημιουργούν κενό στις στοιβάδες Κ, L, Μ..., το οποίο καταλαμβάνεται από ηλεκτρόνιο μεγαλύτερης ενέργειας. Κατά την μετάβαση του ηλεκτρονίου προς στοιβάδα με μικρότερη ενέργεια εκπέμπει ακτίνα X. Η παραγόμενη ακτίνα X στη συνέχεια εκπέμπεται από το άτομο. Είναι όμως δυνατόν στην πορεία της η ακτίνα X να συγκρουσθεί με ένα ηλεκτρόνιο του ατόμου, με αποτέλεσμα την απομάκρυνση του ηλεκτρονίου ως ηλεκτρόνιο Auger. Η ενέργεια του ηλεκτρονίου Auger είναι μικρή και ισούται με την διαφορά της ενέργειας σύνδεσης του εκπεμπόμενου ηλεκτρονίου πριν από την απομάκρυνσή του από την ενέργεια του φωτονίου X (2.21) όπου Ε L και Ε Μ οι ενέργειες των σταθμών L και Μ αντίστοιχα και E b η ενέργεια σύνδεσης του ηλεκτρονίου ή (2.22) όπου hv η ενέργεια της ακτίνας X, όπως υπολογίζεται από τον νόμο του Plank (h η σταθερά Plank = 6,62x10-27 ergs=4,14x10-15 evs= 6,26x10-34 Js) και v η συχνότητα του φωτονίου σε μονάδες s -1.

24 2.3.5 ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΑ AUGER Η παραγωγή ηλεκτρονίων Auger ανταγωνίζεται την εκπομπή ακτίνων X. Αυτό είναι αναμενόμενο, αφού τα ηλεκτρόνια Auger παράγονται από την αλληλεπίδραση των ακτίνων X με τα ηλεκτρόνια. Επειδή η ενέργεια των ηλεκτρονίων Auger είναι μικρή, τα ηλεκτρόνια Auger δεν παίζουν σημαντικό ρόλο στις μεταπτώσεις των ραδιοϊσοτόπων. Οι ακτίνες γ είναι ηλεκτρομαγνητικής φύσης και εκπέμπονται κατά την μετάβαση ενός στοιχείου από μία διηγερμένη κατάσταση σε στάθμη χαμηλότερης ενέργειας ή στην βασική κατάσταση. Επειδή οι ακτίνες γ είναι ηλεκτρομαγνητικής φύσης συνεπάγεται ότι δεν μεταβάλλεται ο μαζικός ή ο ατομικός αριθμός του στοιχείου, και επομένως η γενική εξίσωση μετάπτωσης θα είναι: (2.23) όπου Μ=μητρικό στοιχείο

25 2.3.6 ΑΚΤΙΝΕΣ Γ Μερικά παραδείγματα μετάπτωσης με εκπομπή ακτίνων γ είναι τα παρακάτω: (2.24) (2.25) Η μετάβαση από τη διηγερμένη κατάσταση στην βασική ορίζεται ως ισομερής μετάπτωση μόνον όταν ο χρόνος είναι αρκετά μεγάλος ώστε να μπορεί να μετρηθεί, δηλαδή να είναι της τάξεως του ms ή μεγαλύτερος. Διαφορετικά χρησιμοποιούνται οι όροι διηγερμένη κατάσταση ή μεταβατική κατάσταση. Η εκπομπή ακτίνων γ μπορεί να διαχωριστεί σε τρεις κατηγορίες. α) την πραγματική εκπομπή ακτίνων γ, β) την εσωτερική μετατροπή (IC) και γ) τον σχηματισμό ζεύγους (PP). Η εκπομπή καθαρής ακτίνας γ φαίνεται στην μετατροπή του 234mPa σε 234gPa, όπως φαίνεται στο Σχήμα 2.10. Ο χρόνος που απαιτείται για την μετάβαση από την διηγερμένη κατάσταση στην βασική λέγεται ισομερής μετάβαση.

26 2.3.7 ΚΑΘΑΡΗ ΑΚΤΙΝΑ Γ Η ακτίνα γ που εκπέμπεται σε μία τέτοια μετάπτωση είναι μονοενεργειακή και κυμαίνεται συνήθως μεταξύ 2 kev και 7 MeV. Οι ενέργειες αυτές είναι πολύ κοντά στις ενέργειες που απαιτούνται κβαντικά για τις μεταβάσεις από την μία στάθμη στην άλλη. Σχήμα 2.10. Μετάπτωση με εκπομπή ακτίνων γ του παλλαδίου. Ο εκθέτης m αντιστοιχεί στην μετασταθή κατάσταση και ο δείκτης g στην βασική κατάσταση.

2.3.8 ΕΣΩΤΕΡΙΚΗ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΑΚΤΙΝΩΝ Γ 27 (INTERNAL CONVERSION, IC) Στο φαινόμενο της εσωτερικής μετατροπής η ενέργεια η οποία εκπέμπεται μεταφέρεται σε ηλεκτρόνια εσωτερικών τροχιακών. Η ενέργεια που απορροφήθηκε από τα ηλεκτρόνια εκπέμπεται πλέον από το άτομο και δεν εκπέμπεται ως ακτίνα γ. Η γενική εξίσωση μετατροπής στην περίπτωση αυτή είναι της μορφής: (2.26) Η ενέργεια που εκπέμπουν τα ηλεκτρόνια εσωτερικής μετατροπής είναι μονοενεργειακή. Η ενέργεια μετατροπής που εκπέμπεται ισούται με την διαφορά της ενέργειας του πυρήνα με την ενέργεια σύνδεσης του ηλεκτρονίου: (2.27) Η ενέργεια E IC μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον χαρακτηρισμό του ατομικού αριθμού του μητρικού στοιχείου. Η εκπεμπόμενη ακτίνα X μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον καθορισμό του στοιχείου αφού τόσο το μητρικό όσο και το θυγατρικό είναι ισομερή του ίδιου στοιχείου.

2.3.8 ΕΣΩΤΕΡΙΚΗ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΑΚΤΙΝΩΝ Γ 28 (INTERNAL CONVERSION, IC) Σχήμα 2.11. Σχηματική αναπαράσταση της μετατροπής της ενέργειας σε ηλεκτρόνια Auger ή ακτίνες Χ. Το Σχήμα 2.11 δείχνει παραστατικά την μετατροπή της ενέργειας που εκπέμπεται από τον πυρήνα σε ακτίνες X ή ηλεκτρόνια Auger. Επειδή η εσωτερική μετατροπή οδηγεί σε κενό του τροχιακού, συνεπάγεται ότι μπορούμε να έχουμε παραγωγή ακτίνων X ή ηλεκτρονίων Auger, όπως στην κλασσική περίπτωση εσωτερικής μετάπτωσης. Είναι προφανές ότι στην περίπτωση της μετάπτωσης από ένα μητρικό στοιχείο σε διαφορετικό θυγατρικό η ενέργεια εσωτερικής μετατροπής χαρακτηρίζει μόνον το θυγατρικό στοιχείο.

2.3.8 ΕΣΩΤΕΡΙΚΗ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΑΚΤΙΝΩΝ Γ 29 (INTERNAL CONVERSION, IC) Η εσωτερική μετατροπή και η παραγωγή ακτίνων γ είναι διαδικασίες ανταγωνιστικές και χαρακτηρίζονται από τον συντελεστή εσωτερικής μετατροπής α: (2.28) Οι τιμές του συντελεστή α κυμαίνονται από 0 μέχρι το άπειρο και εξαρτώνται από τον ατομικό αριθμό, την μεταβολή του spin και την ενέργεια μετάβασης. Για να εντοπίσουμε την θέση του θυγατρικού νουκλιδίου στον Περιοδικό Πίνακα, με βάση το είδος της διάσπασης, αρκεί να λάβουμε υπόψη τις παρατηρήσεις του Fajans, όπως προαναφέρθηκε. Το Σχήμα 2.12 μας παρέχει την θέση του θυγατρικού νουκλιδίου ως προς το μητρικό του νουκλίδιο. Σύμφωνα με το Σχήμα 2.12 η εκπομπή ακτίνων α συνεπάγεται μετατόπιση του θυγατρικού νουκλιδίου (στον Περιοδικό Πίνακα των νουκλιδίων) κατά δύο τετραγωνίδια διαγώνια και προς τα αριστερά από την θέση του μητρικού ραδιονουκλιδίου. Εκπομπή ηλεκτρονίων ή ποζιτρονίων μας μεταφέρει διαγώνια κατά ένα τετραγωνίδιο πάνω αριστερά ή κάτω δεξιά αντίστοιχα.

2.3.8 ΕΣΩΤΕΡΙΚΗ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΑΚΤΙΝΩΝ Γ 30 (INTERNAL CONVERSION, IC) Τέλος με εκπομπή ακτίνων γ το ραδιονουκλίδιο παραμένει στην ίδια θέση, όπως αναμένεται, αφού το νουκλίδιο διαφέρει μόνον ως προς την ενέργεια. Στον Πίνακα 2.1 φαίνονται μερικά από τα ραδιενεργά στοιχεία, οι ακτίνες τις οποίες εκπέμπουν, η ενέργεια των ακτίνων και το σταθερό στοιχείο στο οποίο αντιστοιχεί η μετάπτωση. Οι ενέργειες αυτές καθορίζουν και την βιολογική επικινδυνότητα των ραδιενεργών στοιχείων. Σχήμα 2.12. Θέσεις των θυγατρικών νουκλιδίων σύμφωνα με την διάσπαση που λαμβάνει χώρα.

2.3.8 ΕΣΩΤΕΡΙΚΗ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΑΚΤΙΝΩΝ Γ 31 (INTERNAL CONVERSION, IC) Πίνακας 2.1. Μερικά ραδιονουκλίδια, ο χρόνος ημιζωής τους, το είδος και το μέγεθος της εκπεμπόμενης ενέργειας και η αντιστοιχία με αδρανές στοιχείο.

ΧΡΗΜΑΤΟΔΟΤΗΣΗ Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα Ε.Μ.Π.» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.